Zdaniem naukowców rozwój ten może zwiększyć bezpieczeństwo i zminimalizować wpływ na środowisko.
Podczas wydobycia ropy naftowej nagromadzenie twardych osadów mineralnych wewnątrz rur i urządzeń może prowadzić do poważnych uszkodzeń eksploatacyjnych, zagrożeń bezpieczeństwa, takich jak eksplozje rur, oraz znacznych strat ekonomicznych. Jednakże obecne metody usuwania tych złóż minerałów mogą mieć szkodliwy wpływ na środowisko.
Zdaniem zespołu badacze z Penn State opracowali nową nanocząsteczkę, która może zapobiegać osadzaniu się kamienia i stabilizować powszechnie stosowaną emulsję lub płynną mieszaninę, potencjalnie zwiększając wydajność procesów ekstrakcji oleju i mniej szkodliwy dla środowiska. Materiał może być również stosowany w innych urządzeniach obsługujących emulsje wodno-olejowe.
Ich wyniki opublikowano w Materiały i interfejsy stosowane ACS. Praca znalazła się także na dodatkowej okładce czasopisma.
„Chcieliśmy stawić czoła wyzwaniu tworzenia się węglanu wapnia, zwanego osadzaniem się kamienia, w dwufazowych układach olej-woda, stosowanych w wielu gałęziach przemysłu opartych na wodzie, takich jak sektory naftowy i gazowy” – powiedział korespondent Amir Sheikhi, profesor nadzwyczajny inżynierii chemicznej oraz katedrę wczesnej kariery Dorothy Foehr Huck i J. Lloyd Huck w dziedzinie biomateriałów i inżynierii regeneracyjnej.
Wyzwanie skalowania w przemyśle
W wielu gałęziach przemysłu, takich jak ropa i gaz, farmaceutyka, kosmetyki i żywność, woda współistnieje z niemieszającą się fazą – taką jak olej lub rozpuszczalnik organiczny, który nie może się zmieszać z wodą – tworząc układ dwufazowy. Według Sheikhi, jeśli w tym systemie osadzi się kamień, może to spowodować poważne zagrożenia operacyjne i bezpieczeństwa, ponieważ blokuje rury i niszczy sprzęt.
„Obecne rozwiązania zapobiegające osadzaniu się kamienia albo mają niekorzystny wpływ na środowisko, albo ograniczają się do działania wyłącznie w jednofazowych mediach wodnych” – powiedział Sheikhi.
Opracowanie nowej nanocząstki
Aby rozwiązać ten problem, Sheikhi i jego zespół najpierw zsyntetyzowali nanocząsteczkę na bazie celulozy, zwaną anionowymi nanokryształami celulozy włochatej (AHCNC), która była w stanie zapobiegać tworzeniu się kamienia, ale nie była w stanie stabilizować emulsji woda w oleju. Następnie opracowali nowy typ wielofunkcyjnych nanocząstek pochodzenia biologicznego, zwanych amfifilowymi nanokryształami celulozy włochatej (AmHCNC), o unikalnych właściwościach chemicznych i strukturalnych, które nie tylko zapobiegają tworzeniu się kamienia, ale także stabilizują emulsje typu woda w oleju, które są powszechne w oleju Według naukowców procesy ekstrakcji.
„Nasza innowacja polega na nanoinżynierii rodzaju nanocząstek – AmHCNC – który jednocześnie zapobiega osadzaniu się kamienia i stabilizuje emulsje woda w oleju za pomocą mechanizmu Pickeringa – jest to kombinacja, która nie została osiągnięta” – powiedział Sheikhi, wyjaśniając, że mechanizm Pickeringa odnosi się do procesu stabilizującego powierzchnię styku pomiędzy dwoma niemieszającymi się rozpuszczalnikami z małymi cząstkami stałymi, takimi jak nanocząstki. „Te cząstki zapobiegające osadzaniu się kamienia są pochodzenia biologicznego, bezpieczne dla środowiska i opłacalne, oferując zrównoważone rozwiązanie długotrwałego przemysłowego problemu osadzania się kamienia”.
Naukowcy szukają teraz partnerów, którzy mogliby przetestować ich technologię w warunkach rzeczywistych, takich jak ulepszone odzyskiwanie ropy, aby ocenić jej działanie na większą skalę. Planują także zbadać potencjalne zastosowania w innych branżach, takich jak kosmetyki i żywność.
„Ta technologia może zapewnić nowe możliwości w zakresie zrównoważonych i bezpieczniejszych praktyk przemysłowych” – powiedział Sheikhi, który również odbył kurtuazyjną wizytę na Wydziale Inżynierii Biomedycznej w Wyższej Szkole Inżynierskiej, Wydziale Chemii w Eberly College of Science i Wydziale Neurochirurgii na Uniwersytecie Medycznym.
Odniesienie: „Antyskalowujące emulsje Pickeringa włączone przez amfifilowe włochate nanokryształy celulozy” autorstwa Roya Koshani, Shang-Lin Yeh, Mica L. Pitcher i Amir Sheikhi, 5 sierpnia 2024 r., Materiały i interfejsy stosowane ACS.
DOI: 10.1021/acsami.4c03451
Współautorami artykułów są Roya Koshani, doktorantka na Wydziale Inżynierii Chemicznej stanu Penn; Shang-Lin Yeh, doktorant inżynierii chemicznej w Penn State w czasie badań, a obecnie pracujący w PPG; oraz Mica L. Pitcher, doktorantka chemii w Penn State Eberly College of Science w czasie badań, a obecnie pracująca w PPG. Wsparcie od darczyńców z Funduszu Badań nad Ropą Naftową Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego (grant badawczy 61953-DNI5) częściowo pokryło badania AHCNC. Rozwój AmHCNC był wspierany przez fundusz startowy Penn State oraz Dorothy Foehr Huck i J. Lloyd Huck Early Career Chair.
