מים נט פורטל מקצועי למים.
במקרה של דליפה גדולה של נפט לתוך מקור מים, שני הנוזלים נוטים להתערבב לכדי תרחיף של טיפות זעירות, הנקרא תחליב (emulsion)שהפרדת מרכיביו קשה ביותר – דבר העלול לגרום נזקים כבדים למערכות אקולוגיות.
אבל, חוקרים מאוניברסיטת MIT (Massachusetts Institute of Technology) גילו דרך חדשה ולא יקרה להפריד מחדש בין שני הנוזלים.
הם פיתחו ממברנות חדשות הניתנות לייצור בקנה מידה תעשייתי, ויכולות לטפל בכמויות גדולות של תערובת עדינה ולהפריד לחלוטין בין חומרי המוצא- נפט ומים.
בתמונה נראות טיפות זעירות של מים, צבועות בכחול, צפות במים מעל הממברנה שפותחה ע"י צוות ה-MIT. הודות לנקבוביות הזעירות של הממברנה עם הציפוי המיוחד, המושך אליו מים ודוחה נפט, טיפות המים מתכווצות בעת המעבר דרך הממברנה ואת הנפט משאירות מאחור. ממברנה דומה, עם ציפוי אחר, יכולה לבצע פעולה הפוכה: לאפשר מעבר של טיפות נפט ולחסום את מעבר המים.
התהליך תואר ופורסם במגזין Scientific Reports ע"י פרופסור Kripa Varanasiממכון MIT, סטודנט מחקר בשם ,Brian Solomon ופוסט-דוקטורנט בשם Nasim Hyder M..
בנוסף לשימוש האפשרי בניקוי דליפות נפט, השיטה החדשה יכולה גם לשמש בקידוחים רגילים, כמו למשל קידוחים בעומק הים או ביבשה, בהם מזריקים מים לבארות כדי לסייע בהפקת נפט משכבות סלע עמוקות. בדרך כלל, מסביר Varanasi, המים והנפט המעורבבים המוצאים מהקידוח מאוחסנים במיכלים גדולים, ושם הצפי הוא שתתקיים הפרדה ע"י שיקוע בגין הכבידה; הנפט אמור לצוף על פני המים, ואז ניתן יהיה להסיר את שכבת הנפט.
"תהליך זה פועל כראוי כאשר הנפט והמים נמצאים כבר במצב של "כדוריות חומר גדולות, וכבר מופרדות חלקית", אומר Varanasi. "הקושי נוצר כאשר יש לנו תחליב, בו טיפות נפט זעירות מיוצבות על רקע מים, או מים על רקע נפט.
הקושי עולה משמעותית במקרה של ננו-תחליבים בהם הטיפה היא בסדר גודל של פחות ממיקרון."
על מנת לפרק תחליבים אלה, משתמשים כיום במפרקי-תחליבים (de-emulsifiers) העלולים בעצמם להיות מזיקים לסביבה. למשל בדליפת הנפט של שנת 2010 במפרץ מקסיקו, אשר כונתה Deepwater Horizon, הוזרמו אל הים כמויות גדולות של מפזרים (dispersants)ומפרקי-תחליבים.
"לאחר זמן מה, הנפט ממש נעלם," אומר Varanasi, "אבל אנשים יודעים כי הוא חבוי במים, בתחליבים העדינים." במקרה של קידוחים קרקעיים, שיש בהם "מים מופקים" (מים המוזרמים מבארות) הכוללים תחליבי נפט, החברות לעתים פשוט מדללות את המים המופקים, עד שהם עומדים בתקנים הנדרשים לצורך שפיכה אל נתיבי המים.
זוהי בעיה מאתגרת ביותר לתעשייה," אומר Varanasi, גם בנוגע להנצלת הנפט, וחשוב יותר, בנוגע למניעת השפיכה של "מים מופקים" לסביבה."
הגישה החדשה, שפותחה ע"י קבוצתו של Varanasi, משתמשת בממברנות עם מבנה נקבוביות (pores)הירארכי. הממברנות משלבות שכבה דקה ביותר עם ננו-נקבוביות ושכבה עבה יותר עם מיקרו-נקבוביות – כדי להגביל מעבר של חומרים בלתי רצויים, תוך הקניית חוזק מספיק לעמידה נגד הפרש הלחץ והספיקה. ניתן לייצר ממברנות עם תכונות הרטבה הפוכות, כך שהנקבוביות ימשכו נפט וידחו מים, או להיפך.
"זה מאפשר לחומר אחד לעבור מול התנגדות נמוכה, בעוד שהחומר השני נחסם," אומר Varanasi. הבחירה של ממברנה, או של שילוב שתי ממברנות, יכולה להיות מבוססת על החומר היותר משמעותי במצב הנתון, הוא מסביר.
על הנקבוביות להיות קטנות מהטיפות כדי שיהיה אפשר לחסום אותן, אומר Varanasi – מה שבמקרה של ננו-תחליבים, מוביל לכיוון של נקבוביות קטנות מאוד והתנגדות גדולה משמעותית, המקטינה את הספיקה. הספיקה ניתנת לשיפור ע"י תוספת מפל לחץ (משני צידי הממברנה) או ע"י שימוש בשכבת הפרדה דקה מאד, אבל ניסיונות קודמים לייצר שכבה כזו הפיקו חומרים שנקרעו אפילו בעת הפרש לחצים רגיל. הפתרון המתוחכם, שהוצע ע"י הצוות, כולל חירור דו-שכבתי של הממברנה, בשיטה הבאה:
1) יצירת חורים בעלי קוטר גדול יחסית בצד אחד של הממברנה, באורך שכמעט מגיע אל הצד השני.
2) יצירת "ננו-נקבוביות" בצד השני של הממברנה, המתחברות אל החורים הגדולים. ה"ננו-נקבוביות" יופנו אל התחליב ויאפשרו להפרידו, והשכבה העבה – עם החורים הגדולים – תמוך את הממברנה במורד הזרימה ותספק לה חוזק מכני.
הגישה יכולה להתאים לתהליכים תעשייתיים המשמשים כיום לייצור ממברנות גדולות, בנפחי ייצור גדולים, בשיטות ייצור גליל-אל-גליל, כך שיחסית קל יהיה לייצר בקנה מידה גדול, אומר Varanasi.
באשר לתהליך שפותח לייצור ממברנות דו-שכבתיות , Hyder מסביר כי תמיסת פולימר נשפכת על משטח זכוכית, ומשטח יציקה זה משוקע באמבט של חומר לא-ממיס כדי לגרום היפרדות קרום דק (film) מהזכוכית. בטכניקה זו ניתן ליצור פאזה פולימרית דו-שכבתית: שכבה אחת עשירה בפולימר והשנייה אינה כזו. כאשר הן נפרדות, בשכבה העשירה בפולימר מתפתחות נקבוביות יותר קטנות, בעוד שבשכבה הענייה יותר בפולימר מתפתחות נקבוביות יותר גדולות. כיון שהתמיסה יוצרת גיליון הומוגני של חומר הקרום, אין צורך בהדבקת שכבות – שכתוצאה ממנה עלולה הממברנה להיות חלשה יותר.
"אין שכבה נפרדת, הכל משולב, כך שהתמיכה המכנית מובנית," אומרHyder. בשלב הסופי, מוסיפים פולימר אחר כדי ליצור ציפוי שיקנה לחומר – כולל ציפוי החורים – תכונות משיכה/דחייה של נפט/מים. עובי שכבת הציפוי יכול לעבור שלב אופטימיזציה נוסף, תוך שימוש בפולימרים יוצרי נקבוביות, כדי להגביר עוד יותר את הספיקה.
Solomon ביצע ניסויים המראים את יעילות הממברנות בהפרדת ננו-תחליבים תוך הפעלת לחץ גבוה, בלי לפגום בשלמותן. הצוות השתמש בטכניקות שונות – כולל סריקה קלורימטרית דיפרנציאלית, פיזור אור דינמי, ומיקרוסקופיה – כדי לבחון את יעילות ההפרדה, והראה יעילות הפרדה גבוהה מ-99.9%.
תמונות מיקרוסקופיה מראות את הממברנה בפעולתה, עם צבע שהוסף למים כדי שטיפות המים תהיינה יותר ברורות. תוך שניות, תערובת הנפט והמים, שהייתה עכורה ביותר, הפכה צלולה לחלוטין, כאשר המים (הצבועים) עברו דרך הממברנה והשאירו את הנפט הטהור מאחור. לדבריSolomon, "לא רק שנפטרנו מהטיפות הנראות לעין, אלא גם מן הקטנות יותר," התורמות לעכירות.
הצוות עובד עם חברת Shell התומכת במחקר, במסגרת "MIT Energy Initiative" במטרה להמשיך ולפתח את החומר.
