Le pétrole brut est une substance collante et obstrue souvent les membranes filtrantes et autres équipements utilisés dans l'industrie pétrolière et gazière. Pour résoudre ce problème, des scientifiques du laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) ont développé une nouvelle approche, qui prolongera la durée de vie des équipements industriels clés.

La nouvelle invention consiste en un type de revêtement qui produit des films minces d'eau, molécules oléofuges à la surface des membranes filtrantes. Ces molécules d'oxyde métallique s'accrochent à tous les atomes d'eau libres tout en résistant à l'huile. Aux scientifiques, ces propriétés jumelles sont connues sous le nom d'hydrophilie et d'oléophobie.

"L'une des meilleures façons de nettoyer l'eau huileuse est d'utiliser des membranes, " dit Seth Darling, Directeur de l'Institut de Génie Moléculaire d'Argonne. « Le problème, c'est que l'huile colle sur la membrane et bouche les trous jusqu'à ce que la membrane cesse de fonctionner. Aujourd'hui, si les gens ont une membrane encrassée d'huile, soit ils le remplacent, soit ils essaient de le nettoyer avec des produits chimiques agressifs pour éliminer l'huile."

Les scientifiques ont utilisé une méthode appelée dépôt de couche atomique, qui utilise des vapeurs chimiques pour déposer une très fine couche d'oxyde métallique sur toutes les surfaces de la membrane filtrante. Ils ont expérimenté l'utilisation de différents oxydes métalliques sur des membranes polymères du commerce pour trouver ceux qui fonctionnaient le mieux. L'équipe a publié les résultats dans ACS Nano le 14 août.

Le dépôt de couche atomique en lui-même n'est pas nouveau, mais il n'a jamais été utilisé de cette façon pour modifier des membranes auparavant, Chéri dit.

"C'est un peu avant-gardiste, " dit Darling. " Le revêtement n'a que quelques nanomètres d'épaisseur. Si le revêtement était plus épais que cela, cela fermerait les pores minuscules. Ce que vous voulez, c'est un changement minimal de la structure des pores, mais vous voulez changer la chimie de la substance tapissant ces pores."

Pour créer cette couche dans le passé, les gens ont essayé d'attacher des nanoparticules à une membrane en les faisant circuler à travers elle ou en les faisant croître dessus. Mais les particules ont tendance à être arrachées lorsque l'eau s'écoule dans ces systèmes. Le dépôt de couche atomique est différent car le film d'oxyde métallique, dans ce cas, forme des liaisons chimiques fortes avec le polymère auquel il adhère. Dans le processus de dépôt de couche atomique, la membrane est exposée à une séquence de vapeurs qui collent les molécules entre elles, former des liaisons covalentes avec le polymère.

"Certains polymères se lient plus facilement que d'autres, et certains repoussent l'huile tandis que d'autres ne le font pas, " Darling a dit du processus de son groupe travaillant avec une variété d'oxydes métalliques. " À ce stade, nous avons une assez bonne idée de ceux qui fonctionnent et pourquoi. »

L'oxyde d'étain et l'oxyde de titane formaient les liaisons les plus étroites avec les molécules d'eau, les capturer et les superposer sur toute la surface.

"Lorsque l'huile entre en contact avec la membrane, il restera séparé car il s'écoule sur la couche d'eau, " dit Hao-Cheng Yang, un chercheur postdoctoral travaillant sur le projet.

Les membranes encrassées peuvent être un problème coûteux pour l'industrie pétrolière et gazière. Par exemple, lorsque les compagnies pétrolières remplacent les filtres encrassés lors du processus de fracturation hydraulique, ils doivent arrêter leur équipement pour effectuer le changement. Des membranes résistantes à l'huile comme celle-ci pourraient réduire considérablement le besoin de remplacer le filtre et les temps d'arrêt qu'il crée, dit John Harvey, Le responsable du développement commercial d'Argonne s'occupe de la technologie.

« De ma connaissance du secteur pétrolier et gazier, si nous pouvions fabriquer une membrane qui fonctionne même à une fraction de ce que nous avons vu dans les tests de laboratoire, ce sera une amélioration phénoménale par rapport à ce qui est disponible maintenant. Cela représente une énorme économie, " dit Harvey.

Un autre problème dans l'industrie concerne l'eau utilisée dans la fracturation hydraulique, qui revient souvent du sol avec du pétrole, sel et autres contaminants présents. L'eau contaminée ne peut pas être retournée au sol si elle constitue une menace pour les aquifères, l'industrie doit donc souvent trouver un autre moyen de s'en débarrasser.

Les membranes utilisées maintenant peuvent éliminer les autres contaminants, mais ils sont souillés par l'huile. Le processus de dépôt de couche atomique empêche les membranes de se boucher pour mieux filtrer l'eau qui les traverse.

« Avec cette technique, ils peuvent continuer à utiliser cette eau, " a déclaré Harvey. " Cela pourrait être un remplacement direct pour les unités de filtrage qu'ils utilisent aujourd'hui. "

La méthode pourrait également aider dans les efforts de nettoyage des déversements d'hydrocarbures. Lors d'une intervention en cas de déversement d'hydrocarbures, le carburant diesel est utilisé comme agent de nettoyage sur les tuyaux et les conteneurs, ce qui laisse un gaspillage de diesel mélangé à de l'huile et de la saleté. Mais les surfaces des tuyaux et des conteneurs traitées avec les oxydes pourraient simplement être rincées, a noté Chéri.

Chéri, qui a également inventé l'éponge Oleo, un matériau capable d'imprégner l'huile de l'eau de mer, a déclaré qu'il pensait que les deux technologies pourraient être utilisées de concert pour les nettoyages futurs - et aussi pour une foule de choses auxquelles lui et ses collègues scientifiques n'ont probablement pas encore pensé.

"Une chose que j'ai apprise de l'Oleo Sponge, c'est que vous ne pouvez pas envisager toutes les applications possibles au début, " a-t-il dit. " Nous avons anticipé l'intérêt des compagnies pétrolières, mais nous avons également entendu des témoignages de l'industrie cosmétique et des fabricants d'articles de sport. Donc je suppose qu'une fois que ça sort, les gens trouveront également des applications que nous n'aurions jamais imaginées."