科学家开发出新的“耐”油过滤技术，将应用于油田污水处理

原油是粘性物质，经常堵塞过滤器膜和其他在石油和天然气工业中使用的设备。为了解决这个问题，美国能源部（DOE）阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的科学家们开发了一种延长关键工业设备的寿命新方法。

阿贡的分子工程研究所所长Seth Darling说：“用膜净化油污水是最好的方法。但在处理过程中有会黏在膜上逐渐堵塞膜孔直至膜完全不能过滤。最后含油的膜要么更换要么用腐蚀性化学品洗掉油污。”

科学家们使用了原子层沉积技术-一种化学气相沉积技术，即在所有滤膜表面沉积一层非常薄的金属氧化物涂层。他们用不同的金属氧化物在现成的商业聚合物膜上进行实验，比较哪种金属的效果最好。团队的研究结果发表在ACS Nano（“原油防水膜的原子层沉积：氧化物界面工程”）。

Darling说：“原子层沉积技术并不新鲜，但这种技术从未用在薄膜上。”

“这是一种前沿技术，”Darling说：“涂层厚度只有几纳米。如果涂层更厚，它会堵塞微孔。想要改变微孔结构，就要改变那些微孔内衬物质的化学性质。”

在过去，为了创造这一层涂层，人们试图将纳米颗粒流过或在膜上生长来将纳米颗粒附着到膜上。但是当水流过膜时，纳米颗粒往往会被破坏。而原子层沉积不同，在这种情况下，金属氧化物膜与附着其上的聚合物形成强化学键。在原子层沉积过程中，膜暴露于一系列蒸汽中，这些蒸汽使纳米颗粒与聚合物形成共价键。

Darling在谈到他的团队处理各种金属氧化物的过程时说：“一些聚合物比其他聚合物更容易形成共价键，一些聚合物有疏油性，而另一些则不具有疏油性。在亲疏油性上，我们很清楚哪些材料是可行的，为什么材料会具有这样的性质。”

氧化锡和二氧化钛与水分子形成紧密结合，俘获水分子并使它们在薄膜表面上形成水层。

“当油接近薄膜时，油层必须流过水层，油膜会保持分离。”从事该项目的博士后研究员Hao-Cheng Yang说。

对于石油和天然气工业污染的膜处理起来昂贵有麻烦。例如，当石油公司在水力压裂过程中更换堵塞的过滤器时，他们不得不关闭设备来更换过滤器。Argonne公司的业务开发主管John Harvey说：“像这样的耐油膜可以显著减少更换过滤器和停机时间。”

“从我对石油和天然气行业的了解，如果我们能制造一个膜，即使它只是在实验测试中有进展，它仍将是一个巨大的进步。这意味着巨大的节约，”Harvey说。

该行业的另一个问题涉及压裂用水，压裂用水经常从地下带回油、盐和其他污染物。如果被污染的水对含水层构成威胁，就不能返回地面，因此工业界经常必须找到另一种方法来处理它。

目前使用的膜可以去除其他污染物，但它们会被油污染。原子层沉积过程保持膜上孔的通畅，更好地过滤通过它们的水。

“通过这种技术，他们可以继续使用油田污水，”Harvey说。“这可能完全替代目前油田污水处理过滤器单元。”

这种方法也有助于石油泄漏的清理工作。在溢油反应中，柴油燃料用作管道和容器上的清洁剂，从而留下混合有油和污垢的柴油废物。但是，用氧化物处理的管道和容器表面可以被清洗干净，Darling指出。