Wird Öl mit Wasser vermischt oder gelangt es in ein Gewässer, erweisen sich herkömmliche Methoden zur Trennung dieser ungleichen Medien beziehungswiese die Reinigung des Wassers von Ölrückständen als aufwendig, anspruchsvoll, kostspielig und mitunter auch gefährlich. Wissenschaftler der Cockrell School of Engineering an der University of Texas in Austin sind der Auffassung, eine Methode entwickelt zu haben, die an dieser Stellen neue Maßstäbe setzt und alles konventionellen Vorgehensweisen in den Schatten stellt. Dabei setzten die Forscher auf die Möglichkeiten der Nanotechnologie und Material- beziehungsweise Polymerwissenschaft.
In einer unlängst im Journal of Nanoparticle Research veröffentlichten Studie berichten die Wissenschaftler davon, magnetische Nanopartikel zu verwenden, um Öl und Wasser zu trennen und zwar mit Hilfe eines Magneten. Die Ingenieure Universität von Texas in Austin sind überzeugt, ihre neue Technik verbessere die Wasseraufbereitung in der Öl- und Gasproduktion und helfe, Ölverschmutzungen und Bleikontaminationen effizient aus Wasser zu entfernen.
Winzig kleine Nanopartikel werden heute in vielen Bereichen eingesetzt, etwa in der Medizin, in der Energie- und Elektronikindustrie. Die Vielseitigkeit der Nanopartikel inspirierte die Forscher an der Cockrell School of Engineering, zu untersuchen, ob sich Nanopartikel nicht auch nutzen lassen, um Umweltbelastung durch ausgetretenes Öl zu bekämpfen. Ebenso existierte die Vorstellung, Nanopartikel ließen sich nutzen, um auf effiziente Weise kontaminiertes Wasser aufzubereiten.
Mit moderen Methoden gelingt es, etwa 95 Prozent des Öls aus kontaminiertem Wasser herauszuholen. Zurückbleiben meist kleine Öltröpfchen, die schwer zu extrahieren sind, die aber das weitere Prozedere der Wasseraufbereitung erschweren; ungeachtet dessen, dass diese fünf Prozent immer noch ein nicht zu unterschätzendes Umweltproblem darstellen. Die neue Extraktionstechnik der Forscher aus Austin/Texas zielt darauf ab, "dieses kleine bisschen Öl zu entfernen", sagt Saebom Ko, wissenschaftlicher Mitarbeiter im Department of Petroleum und Geosystems Engineering und Erstautor der hier genannten Studie.
"Der Vorteil der Verwendung magnetischer Nanopartikel ist, dass sich die Öltröpfchen, hängen sie einmal an den Nanopartikeln, viel schneller vom Wasser abtrennen lassen, als auf andere herkömmliche physikalische Weise, schließlich sei die magnetische Kraft deutlich größer als die Gravitation.
Auf den Punkt gebracht: Was haben Ko und sein Team gemacht? Im Grund haben die Wissenschaftler auf eine Technik zurückgegriffen, die bereits seit geraumer Zeit, etwa im Bergbau oder auch in der Lebensmittelindustrie, angewendet wird, um mit Hilfe von Magnetismus um Metalle zu extrahieren oder störende metallische Partikel aus einer Matrix abzutrennen.
Eine der wichtigsten Aufgaben der Wissenschaftler war es, die Oberfläche der Nanopartikel zu gestalten und mit einer gewissen Funktionalität zu versehen, so dass sie in der Lage sind, Öltröpfchen zu halten. Das Team beschichtete die magnetischen Nanopartikel mit Polymeren, deren Oberflächenladung positiv ist. Die positiv geladenen magnetischen Nanopartikel verriegeln sich dann durch die elektrostatische Anziehungskraft auf die negativ geladenen Öltröpfchen, ähnlich wie ein Staubfängertuch Staub aufnimmt. Der Prozess - der Sekunden in Labortests einnimmt - könnte auch umgekehrt auftreten. Wenn die Zielsubstanzen positive Oberflächenladungen haben, könnten die magnetischen Nanopartikel mit negativ geladenen Polymeren beschichtet werden, um das Ziel zu erreichen.
Im Grunde sei es ganz einfach, sagt Daigle. "Wir nutzen die magnetischen Eigenschaften dieser Nanopartikel, um sie an die Öltröpfchen zu kleben und im Wesentlichen die Öltröpfchen zu magnetisieren, damit sie mit einem Magneten herausgezogen werden können."
Die Leichtigkeit der Technik und die Flexibilität der magnetischen Nanopartikel motivieren die Forscher dazu, andere weitere Anwendungsfelder ihrer Nanotechnik zu denken. "Die Anwendungen können weit über das Ölfeld hinausgehen, denn mit einem passenden Oberflächendesign können Sie Ihren Magnetkern mit unterschiedlichen Chemikalie überziehen", sagt Daigle.
Ein Ziel der Forscher ist es, ihre Nanopartikel einzusetzen, um mit Ölverschmutzungen im Ozean aufzuräumen. Derzeit prüfen sie auch, ob es möglich ist, mit magnetischen Nanopartikeln Bleirückstände und andere Verunreinigungen aus Trinkwasser zu entfernen. Die Überlegungen sind weit vorangeschritten, dass in diesem Sommer erste Versuche unternommen werden sollen.
Für die Öl- und Gasproduktion plant das Team ein Behandlungssystem zu entwickeln, das die Fähigkeit hat, schnell ein hohes Öl- und Wasservolumen zu bewältigen, was für Onshore- und Offshore-Ölbohranlagen wichtig und sinnvoll wäre.
Zudem arbeiten sie derzeit an einem chemikalienfreien Regenerationsprozess zur Wiederverwendung von Nanopartikeln. "Andere Regenerationsmethoden verwenden Chemikalien, um das Öl zu extrahieren, was zur Herstellung gefährlicher Abfällen führt", sagte Ko. "Wir glauben, dass durch Recycling und Wiederverwendung von Nanopartikeln nicht nur die Betriebskosten gesenkt werden könnte, sondern der Prozess gleichzeitig umweltfreundlicher wird und die Menge an gefährlichem Abfall reduziert wird."
