Olja och vatten tenderar att separeras, men de blandas tillräckligt bra för att bilda stabila olja-i-vatten-emulsioner i producerat vatten från oljereservoarer för att bli ett problem. Rice University-forskare har utvecklat en nanopartikelbaserad lösning som på ett tillförlitligt sätt tar bort mer än 99 procent av den emulgerade oljan som finns kvar efter annan bearbetning.

Kemiingenjören Sibani Lisa Biswals rislabb gjorde en magnetisk nanopartikelförening som effektivt separerar råoljedroppar från producerat vatten som har visat sig vara svåra att ta bort med nuvarande metoder.

Forskningen beskrivs i detalj i en artikel i tidskriften Royal Society of Chemistry Miljövetenskap:Vattenforskning och -teknik .

Producerat vatten kommer från produktionsbrunnar tillsammans med olja. Det innehåller ofta kemikalier och ytaktiva ämnen som pumpas in i en reservoar för att trycka olja till ytan från små porer eller sprickor, antingen naturligt eller brutet, djupt under jorden. Under tryck och närvaro av tvålhaltiga ytaktiva ämnen, en del av oljan och vattnet bildar stabila emulsioner som klänger ihop hela vägen tillbaka till ytan.

Det finns metoder för att separera det mesta av oljan från produktionsflödet, ingenjörer på Shell Global Solutions, som sponsrade projektet, sa till Biswal och hennes team att de sista 5 procenten av oljan tenderar att förbli envist emulgerad med liten chans att återvinnas.

"Injicerade kemikalier och naturliga ytaktiva ämnen i råolja kan ofta kemiskt stabilisera gränsytan mellan olja och vatten, leder till små droppar olja i vatten som är utmanande att bryta upp, sa Biswal, en docent i kemi- och biomolekylär teknik och i materialvetenskap och nanoteknik.

Rislabbets erfarenhet av magnetiska partiklar och expertis inom aminer, med tillstånd av tidigare postdoktor och huvudförfattare Qing Wang, ledde till att den kombinerade tekniker. Forskarna lade till aminer till magnetiska järnnanopartiklar. Aminer har en positiv laddning som hjälper nanopartiklarna att hitta negativt laddade oljedroppar. När de väl gör det, nanopartiklarna binder oljan. Magneter kan sedan dra ut dropparna och nanopartiklarna ur lösningen.

"Det är ofta svårt att designa nanopartiklar som inte bara samlas i de höga salthalter som vanligtvis finns i reservoarvätskor, men dessa är ganska stabila i det producerade vattnet, " sa Biswal.

De förbättrade nanopartiklarna testades på emulsioner gjorda i labbet med modellolja såväl som råolja.

I båda fallen, forskare infogade nanopartiklar i emulsionerna, som de helt enkelt skakade för hand och maskin för att bryta olje-vattenbindningarna och skapa olje-nanopartikelbindningar inom några minuter. En del av oljan flöt till toppen, medan du placerade provröret på en magnet drog de infunderade nanorören till botten, lämnar klart vatten emellan.

Bäst av alla, Biswal sa, nanopartiklarna kan tvättas med ett lösningsmedel och återanvändas samtidigt som oljan kan återvinnas. Forskarna detaljerade sex framgångsrika laddnings-urladdningscykler av deras substans och misstänker att den kommer att förbli effektiv för många fler.

Hon sa att hennes labb designar en genomströmningsreaktor för att bearbeta producerat vatten i bulk och automatiskt återvinna nanopartiklarna. Det skulle vara värdefullt för industrin och för platser som oljeriggar till havs, där behandlat vatten kunde återföras till havet.