Recipiente autonomo in grafene per aspirare e conservare il corpo liquido dell'olio fuoriuscito

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 22339 (2016) Citare questo articolo

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Nonostante i notevoli progressi nella scienza e nella tecnologia, la strategia per la raccolta del petrolio fuoriuscito è rimasta quasi la stessa dalla fuoriuscita di petrolio di Santa Barbara del 1969. Il recipiente in grafene qui ideato può apportare un cambiamento importante ma fondamentale nella strategia per la raccolta del petrolio fuoriuscito. Quando viene posizionata sull'acqua di mare ricoperta di petrolio, la nave in grafene separa selettivamente il petrolio, quindi raccoglie e immagazzina l'olio raccolto nella nave da sola senza alcun input di energia esterna. Capillarità e gravità lavorano insieme per riempire questo prototipo di recipiente in grafene con l'olio fuoriuscito a una velocità superiore a 20.000 litri per metro quadrato all'ora (LMH) con una purezza dell'olio migliore del 99,9% e consentire al recipiente di resistere a un battente d'acqua di 0,5 mt. Il recipiente presenta inoltre un'eccezionale stabilità chimica e riciclabilità. Un'area espansa di contatto con l'olio, considerevolmente maggiore dello spessore dello strato di olio, si forma sull'interfaccia ridotta della schiuma di ossido di grafene (rGO) al contatto con l'olio fuoriuscito. Questa area di contatto ampliata non cambia molto anche quando lo strato di olio si assottiglia. Di conseguenza, l'elevato tasso di raccolta dell'olio viene mantenuto durante tutto il recupero dell'olio fuoriuscito.

Le fuoriuscite di petrolio hanno causato l'inquinamento dei mari e dei fiumi, provocando gravi problemi ambientali ed ecologici1,2,3. Dal 1963, circa 28.000.000 di barili di petrolio sono stati fuoriusciti a causa di incidenti e la possibilità di grandi incidenti legati a fuoriuscite di petrolio è aumentata con lo sviluppo industriale e le trivellazioni petrolifere in acque profonde. Sorprendentemente, la strategia di raccolta del petrolio utilizzata per la fuoriuscita di petrolio del Golfo del Messico nel 2010 è stata più o meno la stessa di quella per la fuoriuscita di petrolio di Santa Barbara del 1969, nonostante i notevoli progressi compiuti nella scienza e nella tecnologia dal 1969.

D'altro canto, sono stati condotti numerosi studi sulla rimozione dell'olio, sia per l'assorbimento dell'olio che per la separazione olio/acqua. Per l'assorbimento dell'olio, le spugne nanomateriali sono state ampiamente utilizzate a causa della loro bassa densità e superidrofobicità. L'ossido di grafene ridotto4,5,6,7,8,9, i nanotubi di carbonio (CNT)10,11,12, la fibra di carbonio13 e i polimeri14,15 sono stati utilizzati principalmente come materia prima per la fabbricazione di spugne, mostrando eccezionali capacità di assorbimento dell'olio, efficienza e riusabilità. Per la separazione olio/acqua, sono state utilizzate membrane e reti superidrofobiche o superidrofile, realizzate con CNT16,17,18, polimero19,20,21, idrossido metallico22 o silicato23,24, per far passare selettivamente olio o acqua per la separazione olio/acqua. In particolare, la membrana di tipo 16,17,19,20 si è rivelata efficiente per separare l'emulsione di olio e acqua grazie alla dimensione ridotta dei pori, mentre la membrana di tipo 21,22,23,24 ha prodotto un flusso elevato con pori di grandi dimensioni. Recentemente è stata proposta una scatola in rete di rame ossidato per la separazione e la raccolta in situ dell'olio fuoriuscito25 e successivamente la scatola in rete è stata rivestita con acido palmitico per migliorare le prestazioni26.

Affinché qualsiasi sistema possa essere utile per la raccolta dell'olio sversato sull'acqua di mare, devono essere soddisfatte una serie di condizioni. Un dispositivo galleggiante, quando immerso nell'acqua di mare per la raccolta, deve essere sufficientemente robusto da resistere agli scrosci dell'acqua di mare ed essere efficace anche quando viene ribaltato. Il materiale utilizzato deve essere chimicamente stabile poiché il petrolio greggio contiene solventi organici come toluene e altri idrocarburi, che potrebbero dissolvere il materiale. Per separare selettivamente l'olio ed evitare che l'olio raccolto nel dispositivo si rimescoli con l'acqua di mare circostante, le pareti del dispositivo devono resistere alla pressione dell'acqua di mare quando viene sommerso dal peso dell'olio raccolto e spruzzato dallo scroscio dell'acqua di mare.

In questo lavoro presentiamo un vaso di grafene autonomo che soddisfa le condizioni. La nave separa l'olio fuoriuscito dall'acqua di mare, raccoglie e immagazzina l'olio raccolto nella nave senza alcun input di energia esterna. Per costruire il recipiente, abbiamo sviluppato un processo di assemblaggio mediato da ioni seguito da ricottura per depositare ossido di grafene ridotto (rGO) da una soluzione di nanopiastrine di ossido di grafene (GO) su rete di rame. Questa nave in grafene è essenzialmente un contenitore vuoto chiuso, il cui scafo è costituito da una rete di rame che è, a sua volta, rivestita con schiuma rGO che copre l'intera superficie, dentro e fuori. Gli innumerevoli pori della schiuma rGO aspirano rapidamente l'olio fuoriuscito tramite la forza capillare come una spugna e l'olio aspirato scorre nel recipiente per gravità.