Råolja är klibbiga grejer och täpper ofta igen filtermembran och annan utrustning som används inom olje- och gasindustrin. För att lösa detta problem, forskare vid U.S. Department of Energys (DOE) Argonne National Laboratory har utvecklat en ny metod, vilket kommer att förlänga livslängden för viktig industriell utrustning.

Den nya uppfinningen består av en typ av beläggning som ger tunna filmer av vattenälskande, oljeavvisande molekyler på ytan av filtermembran. Dessa metalloxidmolekyler tar tag i alla lösa vattenatomer samtidigt som de motstår olja. Till forskare, dessa tvillingegenskaper är kända som hydrofilicitet och oleofobicitet.

"Ett av de bästa sätten att rengöra oljigt vatten är med membran, sa Seth Darling, Direktör för Institutet för molekylär teknik i Argonne. "Problemet är att oljan fastnar på membranet och täpper igen hålen tills membranet slutar fungera. Idag, om människor har ett oljebeläggningsmembran, antingen byter de ut den eller så försöker de rengöra den med starka kemikalier för att tvätta bort oljan."

Forskarna använde en metod som kallas atomlagerdeposition, som använder kemiska ångor för att avsätta en mycket tunn beläggning av metalloxiden på alla filtermembranytorna. De experimenterade med att använda olika metalloxider på kommersiella polymermembran från hyllan för att hitta vilka som fungerade bäst. Teamet publicerade resultaten i ACS Nano den 14 augusti.

Atomskiktsavlagringen i sig är inte ny, men det har aldrig använts på det här sättet för att modifiera membran tidigare, sa älskling.

"Det är typ av banbrytande, ", sa Darling. "Beläggningen är bara några nanometer i tjocklek. Om beläggningen var tjockare än så här, det skulle stänga av de små porerna. Vad du vill är en minimal förändring av porstrukturen, men du vill ändra kemin hos ämnet som täcker dessa porer."

För att skapa det här lagret tidigare, människor försökte fästa nanopartiklar på ett membran genom att flöda dem genom det eller odla dem på det. Men partiklar tenderar att slitas av när vatten rinner genom dessa system. Atomskiktsavsättning är annorlunda eftersom metalloxidfilmen, I detta fall, bildar starka kemiska bindningar med polymeren som den är vidhäftad på. I processen för avsättning av atomlager, membranet utsätts för en sekvens av ångor som klistrar ihop molekyler, bildar kovalenta bindningar med polymeren.

"Vissa polymerer binder lättare än andra, och vissa stöter bort olja medan andra inte gör det, " Darling sa om sin grupps process som arbetar med en mängd olika metalloxider. "Vid det här laget, vi har en ganska bra uppfattning om vilka som fungerar och varför."

Tennoxid och titanoxid bildade de tätaste bindningarna med vattenmolekyler, fånga dem och lägga dem i lager över ytan.

"När olja kommer i kontakt med membranet, det kommer att förbli separat eftersom det rinner över vattenskiktet, " sa Hao-Cheng Yang, en postdoktor som arbetar med projektet.

Nedsmutsade membran kan vara ett kostsamt krångel för olje- och gasindustrin. Till exempel, när oljebolag byter ut igensatta filter under den hydrauliska sprickprocessen, de måste stänga av sin utrustning för att göra förändringen. Oljebeständiga membran som detta kan avsevärt minska behovet av både filterbyte och stilleståndstiden det skapar, sa John Harvey, Argonnes affärsutvecklingschef som hanterar tekniken.

"Bara från min kunskap om olje- och gassektorn, om vi kunde göra ett membran som presterar till ens en bråkdel av vad vi har sett i laboratorietester, det kommer att bli en fenomenal förbättring jämfört med vad som är tillgängligt nu. Det innebär en enorm besparing, " sa Harvey.

Ett annat problem i branschen är vattnet som används i fracking, som ofta kommer tillbaka från marken med olja, salt och andra föroreningar som finns. Förorenat vatten kan inte återföras till marken om det utgör ett hot mot akviferer, så industrin måste ofta hitta ett annat sätt att göra sig av med det.

Membranen som används nu kan ta bort de andra föroreningarna, men de blir nedsmutsade av olja. Atomskiktsavsättningsprocessen hindrar membranen från att täppas till för att bättre filtrera vattnet som passerar genom dem.

"Med denna teknik, de kan fortsätta använda det vattnet, Harvey sa. "Detta kan vara en direkt ersättning för filterenheter som de använder idag."

Metoden kan också hjälpa till att sanera oljeutsläpp. I ett oljeutsläpp, dieselbränsle används som rengöringsmedel på rör och behållare, som lämnar ett slöseri med diesel blandat med olja och smuts. Men rör- och behållarytor behandlade med oxiderna kunde bara sköljas rena, konstaterade Darling.

Älskling, som också uppfann Oleo-svampen, ett material som kan suga upp olja ur havsvatten, sa att han tror att de två teknologierna kan användas tillsammans för framtida städningar - och även för en mängd saker som han och hans forskarkollegor förmodligen inte har tänkt på ännu.

"En sak jag lärde mig från Oleo-svampen är att du inte kan föreställa dig alla möjliga tillämpningar i början, ", sa han. "Vi förväntade oss intresse från oljebolag, men vi har också hört från kosmetikaindustrin och från sportutrustningstillverkare. Så jag misstänker att när det här kommer ut, människor kommer också att komma med applikationer vi aldrig föreställt oss."