Нефтяная нанопромокашка

Американские ученые продолжают насыщать мировой рынок нанотехнологическими продуктами. Создано уже немало изделий нанотекстильной промышленности, предназначенных для личного пользования. В последнем же выпуске Nature Nanotechnology вышла статья, описывающая новый тканый материал, обладающий уникальными абсорбционными свойствами. Сами создатели позиционируют этот материал в первую очередь как губку для сбора разлившейся нефти.

Согласно данным Международной федерации владельцев танкеров по предотвращению загрязнений, с начала ХХI века в воды морей и океанов было пролито около двухсот тысяч тонн нефти. И каждый новый случай розлива нефти оборачивается самыми серьезными последствиями для экосистемы, а также требует титанических усилий по сбору разлившейся нефти, в то время как эффективных и простых методов её сбора пока что просто не существует.

Наиболее сложные случаи разлива нефтепродуктов сопровождаются формированием нефтяных эмульсий – микроскопических капелек нефти распределенных в морской воде. Такую нефть не только трудно собрать, но и не менее трудно впоследствии отделить от воды. Особенно эта процедура трудоемка в случае масштабных разливов, когда перерабатывать и очищать приходится в сотни раз больше загрязненной воды, чем разлитой нефти.

Мембрана-абсорбент, разработанная специалистами из США, призвана существенно облегчить жизнь морским экологам. Она позволяет не только эффективно поглощать нефть, но и отделять её от воды даже в случае вводно-нефтяных эмульсий.

Новый материал американских изобретателей основан на применении нановолокон оксидного материала, относящегося к классу манганитов K_2-xMn₈O₁₆.

В случае утечки он может эффективно вобрать в себя нефть, масса которой может в 20 раз превышать массу самого тканого материала.

Открытие было совершено в Массачусетском технологическом институте под руководством Франческо Стеллаччи. Именно ему пришла идея использовать спутанные волокна оксидного материала для создания мембран, толщина которых не превышает 50 микронов. Нановолокна манганитного материала были синтезированы учеными по технологии так называемого гидротермального синтеза, уже довольно давно и прочно вошедшего в практику синтетической неорганической химии. Впрочем, этот метод легко переносим и в промышленные масштабы.

Процесс получения мембран на основе волокон мало отличается от процесса получения обычной офисной бумаги: волокна взвешиваются в жидкости, спутываются и образуют более крупные пучки, а после отжима и быстрой сушки превращаются в тонкие листы, по механическим свойствам от обычной бумаги мало отличающиеся.

Однако для создания материала, способного эффективно сорбировать нефтепродукты, этого мало. Дело в том, что поверхность нановолокон оксидного соединения марганца обладает очень большой адгезией к воде. Грубо говоря, к таким волокнам очень хорошо прилипает вода и другие полярные растворители, в то время как нефть и другие неполярные жидкости от нее отталкиваются. Поэтому микроскопические поры такой неорганической бумаги очень эффективно смачиваются и заполняются водой, а никак не органическими неполярными растворителями и нефтепродуктами.

Для того чтобы обратить свойства поверхности оксида марганца на противоположные, ученые покрыли поверхность нановолокон тонкой пленкой полимерного материала полидиметилсилоксана. Для этого ими была применена широко используемая технология осаждения газообразного компонента из паровой фазы. Этот неполярный модификатор поверхности и обуславливает хорошие водоотталкивающие свойства, равно как и делает его очень эффективным абсорбентом для нефти.

Справедливости ради стоит сказать, что подобные материалы создавались и ранее, однако мембраны на основе полимерных нитей или стекловолокна все же обладали некоторой способностью адсорбировать воду, а потому были менее эффективны; к тому же они термически не стабильны и менее износостойки.

Создатели материала поясняют, что большие мембраны – так называемые нефтяные покрывала – могут оставаться на поверхности воды в течение нескольких месяцев и не намокать, при этом все гидрофобные жидкости – смазочные масла, солярка, керосин, бензин, органические растворители и так далее – полностью засасываются с поверхности воды в тканую структуру мембран в течение нескольких минут.

После абсорбции нефть и нефтепродукты можно удалить простой перегонкой (нагреванием мембран).

В этом случае, правда, силоксановое покрытие также теряется, однако его легко восстановить и вернуть мембрану в работу.

Однако и в этом удивительном материале можно найти ложку дёгтя – на этот раз в переносном смысле. Оксид марганца, конечно, не считается токсичным соединением, однако масштабное его применение в морских водах все же вызывает у экологов озабоченность. Поэтому новые мембраны – скорее прототип для следующих модификаций изделия на основе более инертных компонентов, чем готовое решение проблемы загрязнения океанов нефтью.