Исследователи создали материал, получивший название «гидрочувствительная мембрана» (hygro-responsive membrane), который может стать дешевым и энергоэффективным способом расчистки нефтяных разливов.

Нефть и вода, как правило, не смешиваются друг с другом, однако при образовании водно-нефтяных эмульсий их практически невозможно полностью разделить и зачастую, при разливах нефти в связи с авариями танкеров и нефтепроводов эта эмульсия представляет собой большую опасность для окружающей среды.

Тем не менее, комбинация гидрофильного полимера с маслооталкивающим кремнийсодержащим материалом позволила исследователям создать новое поколение мембран, способных к разделению больших объемов смеси вода-масло (или вода-нефть) любого состава с помощью обычного фильтрования под воздействием силы тяжести. Исследователи, которые создали этот материал, получивший название «гидрочувствительная мембрана» (hygro-responsive membrane), может стать дешевым и энергоэффективным способом расчистки нефтяных разливов.

Рис. 1. Новый материал для мембраны поможет
разделить как смеси воды с растительным маслом,
так и с нефтью. (Рисунок из Nat. Commun.,
DOI: 10.1038/ncomms2027).

Традиционные мембранные методы разделения водно-нефтяных эмульсий требуют высоких энергетических затрат – для эффективного разделения водно-нефтяной смеси необходимо прокачивать ее через мембрану с помощью насоса. Помимо этого, такие мембраны со временем отравляются вязким материалом, таким как нефть, и теряют свою эффективность. Еще одним недостатком существующих мембран является то, что они не универсальны – как правило, для эмульсий, отличающихся по соотношению воды и нефти и типу эмульгатора – поверхностно-активного вещества требуется мембрана строго определенного типа.

Исследователи, работающие под руководством специалиста по химии материалов Аниша Тутеджа (Anish Tuteja) из Университета Мичигана впервые разработали мембраны, лишенные недостатков описанных выше. Мембраны были получены за счет погружения ткани из полиэфирных волокон или мелкой решетки из нержавеющей стали в смесь гидрофильного поперечно-сшитого полиэтиленгликоль диакрилата и олеофобных олигомеров фтордецилсилсесквиоксана.

Фторированный силсесквиоксан представляет собой молекулу с карскасом Si₈O₁₂, с каждым атомом кремния которого связана фтордецильная группа. Сочетание фторсодержащих фрагментов и микрокристаллических свойств материала приводит к тому, что он обладает самым низким на настоящий момент значением энергии поверхностного натяжения.

При контакте смеси вода-масло с мембраной первоначально ничего не происходит, однако через несколько секунд микрокристаллические участки силсесквиоксана на поверхности мембраны изменяют конфигурацию, формируя гладкую некристаллическую поверхность, которая позволяет полимеру образовать с водой водородные связи. Это обратимое изменение морфологии поверхности позволяет воде полностью смочить поверхность и проходить через мембрану, в то время, как неполярная жидкость будет удерживаться.

Исследователи смогли разделить различные типы смесей и эмульсий масло-вода, продемонстрировав, что новый материал обеспечивает непрерывное разделение смеси в потоковом режиме в течение 100 часов без нарушения производительности мембраны или замедления процесса. Также была разработана и система, которая может контролировать процесс увлажнения мембраны с помощью электрического поля.