Авария нефтяного танкера или нефтяной вышки часто имеет катастрофические последствия для окружающей среды. Классические методы ликвидации разливов нефти не отличаются особой эффективностью. Метод, разработанный исследователями из Университета Эрлангена-Нюрнберга, может в корне изменить эту проблему — их изобретение «нефтяной магнит».
20 апреля 2010 года взрыв на нефтяной вышке Deepwater Horizon привел к одному из крупнейших на сегодняшний день разливов нефти в открытом море, вызванный деятельностью человека. В 84 км от побережья американского штата Луизиана США, при бурении скважины в Мексиканский залив попало до 1 млн тонн сырой нефти. Нефтяная компания BP, которая отвечала за этот проект разработки в итоге выплатила более 65 миллиардов долларов в виде штрафов государственным учреждениям, пострадавшим компаниям и частным лицам, а также за работы по ликвидации последствий. Тысячи добровольцев помогали в устранении нефтяного пятна, которое разрослось до площади почти в 200 000 км² — примерно как половина площади Германии. Одной из мер по устранении было контролируемое сжигание нефти, которое оказалось не очень эффективным из-за чрезмерного возгорания и большого количества вредных для окружающей среды продуктов сгорания, попавших в воздух и воду.
Противоречивое диспергирование
Химическое диспергирование, разделение нефтяного пятна на мелкие капли с помощью так называемых диспергентов, оставалось наиболее предпочтительным методом по устранению аварии. Мелкодисперсная нефть опускается под поверхность воды и затем — по крайней мере, согласно теории — расщепляется микроорганизмами быстрее, чем плотная нефтяная пленка на поверхности воды.
Однако критики этого метода утверждают, что компоненты диспергентов — например, нефтеподобные растворители и соли органических сульфокислот, используемые в синтетических чистящих средствах — иногда более токсичны, чем сами компоненты нефти, и что диспергирование делает нефть менее заметной. В действительности, позднее исследовательские корабли обнаружили огромные шлейфы нефти в глубоких районах Мексиканского залива, которые практически не подвергались воздействию микроорганизмов.
Новый процесс позволяет собирать нефть с помощью магнитов
Во время разлива нефти на Deepwater Horizon было использовано почти 7 миллионов литров диспергентов. По оценкам экспертов, максимум 20% просочившейся сырой нефти все еще можно было удалить. Остальная часть опустилась на морское дно или была распределена в больших объемах в морских глубинах. Более новые методы борьбы с нефтяным загрязнением, такие как разлагающие нефть микроорганизмы и поглощающие нефть адсорбирующие губки, еще не были доступны в 2010 году и все еще находятся преимущественно на стадии испытаний. Они также вызывают споры из-за их токсичного побочного воздействия на морскую экосистему.
Но новые разработки дают новую надежду. Под руководством ученого-материаловеда профессора Маркуса Халика со своей рабочей группой в Университете Фридриха-Александра в Эрлангене-Нюрнберге (FAU) исследует с 2015 года новый метод, который не будет представлять опасности для окружающей среды: сбор нефти с помощью магнитов. Халик убежден в этом:
«С помощью нашего процесса мы практически полностью извлекаем из воды такие вещества, как сырая нефть, бензин и дизельное топливо, без каких-либо вспомогательных веществ, остающихся в воде».
Главное: магнитные наночастицы связывают маслянистые вещества
Конечно, масло не магнитится. Поэтому исследователи FAU прибегли к хитроумному трюку: они создали крошечные магнитные частицы, к которым нефть прилипает настолько прочно, что электромагнит с частицами также вылавливает нефть из воды. Марко Сарклетти, который писал магистерскую диссертацию на эту тему, описывает процесс более подробно: «Мы используем наночастицы из магнетита, которые окружены само-собирающимися монослоями из алкилфосфоновых кислот. Кислотные концы связываются с частицами магнетита, а алкильные цепи направлены в сторону от них. Эти цепи обладают сильной олеофильностью, что означает, что они связывают маслянистые вещества с высокой степенью эффективности». Исследователи FAU смогли показать, что каждая функционализированная наночастица накапливает до 14 раз больше молекул масла.
Ученые оптимизировали процесс с помощью компьютерного моделирования и проведением различных экспериментов. В качестве магнитного материала оказался подходящим минерал магнетит — оксид железа с составом Fe3O4. Он нетоксичен, относительно дешев и может быть легко переработан в наночастицы. В таком чрезвычайно тонком распределении он особенно эффективен по двум причинам, объясняет Сарклетти:
«С одной стороны, мы используем наномасштабирование для огромного увеличения активной поверхности. С другой стороны, в отличие от массивного магнетита, наночастицы демонстрируют особое магнитное поведение, становясь SPIONs (SuperParamagnetic Iron Oxide Nanoparticles)».
Органическая кислота соединяет нефть и магниты
В качестве связующего вещества между магнетитом и нефтью команда Халика использует типы молекул, которые имеют схожую структуру с диспергаторами: алкиловые кислоты, которые состоят из длинной углеводородной цепи и кислотного остатка. В отличие от дисперсии, кислоты настолько плотно прилипают к наночастицам, что магнит извлекает из воды весь комплекс магнетит-алкиловая кислота-нефть. «Мы достигли наилучших результатов с алкилфосфоновыми кислотами», — объясняет профессор Халик, — «потому что остаток фосфоновой кислоты сильно ковалентно связывается с магнетитом, то есть образует настоящую химическую связь».
Возможны и другие варианты использования
Профессор Халик смотрит в будущее:
«Сейчас мы вместе с промышленными партнерами хотим перевести процесс на новые технические масштабы в рамках стартапа».
Для этого, например, необходимо разработать недорогие методы отделения масла, например, путем выпаривания или сжигания масла, центрифугирования или использования очень сильных магнитных полей. Модифицированная форма этого процесса может также подойти для удаления из воды других экологических токсинов. Команда FAU уже показала, что гербициды на основе глифосата или нанопластиковые частицы могут быть извлечены из воды магнитным способом. Так что, возможно, с помощью наномагнитов можно решить не одну проблему.
