Автономный графеновый сосуд для всасывания и хранения жидкой массы разлитой нефти

Научные отчеты, том 6, Номер статьи: 22339 (2016) Цитировать эту статью

2850 Доступов

21 цитат

11 Альтметрика

Подробности о метриках

Несмотря на выдающиеся успехи в науке и технике, стратегия сбора разлитой нефти осталась практически той же, что и после разлива нефти в Санта-Барбаре в 1969 году. Разработанный здесь графеновый сосуд может внести важные, но фундаментальные изменения в стратегию сбора разлитой нефти. Когда он помещается в покрытую нефтью морскую воду, графеновый сосуд выборочно отделяет нефть, затем собирает и хранит собранную нефть в сосуде самостоятельно, без каких-либо внешних затрат энергии. Капиллярность и гравитация работают вместе, чтобы заполнить этот прототип графенового сосуда разлитой нефтью со скоростью более 20 000 литров на квадратный метр в час (LMH) с чистотой масла выше 99,9% и позволить сосуду выдерживать напор воды. 0,5 м. Судно также обладает превосходной химической стабильностью и пригодностью к вторичной переработке. При контакте с разлитым маслом на границе раздела пены с восстановленным оксидом графена (rGO) образуется расширенная площадь контакта с маслом, значительно превышающая толщину слоя масла. Эта расширенная площадь контакта не сильно меняется, даже когда слой масла истончается. В результате сохраняется высокая скорость нефтесбора на протяжении всего периода сбора разлитой нефти.

Разливы нефти вызвали загрязнение морей и рек, что привело к серьезным экологическим проблемам1,2,3. С 1963 года в результате аварий было разлито около 28 000 000 баррелей нефти, а вероятность крупных аварий, связанных с разливами нефти, возросла по мере промышленного развития и глубоководного бурения нефти. Поразительно, но стратегия сбора нефти, использованная при разливе нефти в Мексиканском заливе в 2010 году, была во многом такой же, как и при разливе нефти в Санта-Барбаре в 1969 году, несмотря на значительные достижения в области науки и техники, достигнутые с 1969 года.

С другой стороны, было проведено большое количество исследований по удалению нефти, либо для абсорбции нефти, либо для разделения нефти и воды. Для поглощения масла широко используются губки из наноматериалов из-за их низкой плотности и супергидрофобности. Восстановленный оксид графена4,5,6,7,8,9, углеродные нанотрубки (УНТ)10,11,12, углеродное волокно13 и полимер14,15 в основном использовались в качестве сырья для изготовления губки, демонстрируя выдающуюся маслопоглощающую способность, эффективность и возможность повторного использования. Для разделения масла/воды использовались супергидрофобные или супергидрофильные мембраны и сетки, изготовленные из CNT16,17,18, полимера19,20,21, гидроксида металла22 или силиката23,24 для селективного пропускания масла или воды для разделения масла/воды. В частности, мембраны типа 16,17,19,20 были эффективны для разделения эмульсии нефти и воды из-за небольшого размера пор, тогда как сетки типа 21,22,23,24 обеспечивали высокую текучесть с большими порами. Недавно для сепарации и сбора разлитой нефти на месте был предложен сетчатый ящик из окисленной меди25, впоследствии сетчатый ящик был покрыт пальмитиновой кислотой для улучшения характеристик26.

Чтобы любая схема сбора разлитой нефти в морской воде была полезной, необходимо соблюдение ряда условий. Плавающее устройство, помещенное в морскую воду для сбора, должно быть достаточно прочным, чтобы выдерживать выплескивание морской воды и быть эффективным даже в случае опрокидывания. Используемый материал должен быть химически стабильным, поскольку сырая нефть содержит органические растворители, такие как толуол и другие углеводороды, которые могут растворять материал. Чтобы выборочно отделить нефть и предотвратить повторное смешивание собранной в устройстве нефти с окружающей морской водой, стенки устройства должны выдерживать давление морской воды, когда оно погружается под действием веса собранной нефти и разбрызгивается плещущейся морской водой.

В этой работе мы представляем автономный графеновый сосуд, удовлетворяющий указанным условиям. Судно отделяет разлитую нефть от морской воды, собирает и хранит собранную нефть в судне без каких-либо внешних энергоподводов. Чтобы построить сосуд, мы разработали процесс ионно-опосредованной сборки с последующим отжигом для осаждения восстановленного оксида графена (rGO) из раствора нанопластинок оксида графена (GO) на медной сетке. Этот графеновый сосуд, по сути, представляет собой закрытый пустой контейнер, корпус которого выполнен из медной сетки, которая, в свою очередь, покрыта пеной rGO, покрывающей всю поверхность изнутри и снаружи. Бесчисленные поры в пене RGO быстро всасывают пролитое масло под действием капиллярной силы, как губка, и всасываемое масло стекает в резервуар под действием силы тяжести.