Исследователи Dr. Seunghak Lee, Jaeshik Chung и Sang Hyun Kim из Центра исследований водного ресурсного цикла Корейского института науки и технологий (KIST) наблюдали за взаимодействием нефти и воды в пористых средах при различных условиях с помощью микрофлюидной системы, которая позволяет точно наблюдать за микроскопическими потоками жидкости.
Они проводили эксперименты в условиях постоянного перепада давления, аналогичных реальному потоку грунтовых вод, и обнаружили, что масло легко выходит из гидрофобных поверхностей, в то время как на гидрофильных поверхностях удерживается больше масла. Эти наблюдения были подтверждены с помощью аналитической модели несмешиваемого вытеснения.
Работа опубликована в журнале npj Clean Water.
Обычный метод разделения нефти и воды заключается в использовании гидрофобных материалов, которые адсорбируют нефть. Однако исследователи обнаружили обратное тому, что ожидали. В условиях прохождения через пористую среду, такую как грунтовые воды, они обнаружили, что гидрофильные поверхности — те, которые легко связываются с молекулами воды — удерживают больше масла.
В гидрофобных материалах угол контакта на границе раздела, где вода отталкивает масло, больше, чем в гидрофильных средах. Это уменьшает падение капиллярного давления на границе раздела, но увеличивает разницу давлений из-за вязкости жидкости, что, в свою очередь, увеличивает скорость потока жидкости в порах. Ускоренный поток воды в порах приводит к тому, что больше масла вытекает.
В гидрофильных материалах, напротив, относительно низкая скорость потока в порах при тех же условиях давления не так хорошо вытесняет масло, что приводит к большому количеству оставшегося масла.
Это исследование выходит за рамки простого анализа поведения жидкости и предоставляет новую интерпретационную основу для миграции и оседания загрязняющих веществ в грунтовых водах. Ожидается, что результаты будут способствовать эффективному проектированию и эксплуатации объектов по предотвращению загрязнения, таких как проницаемый реактивный барьер (PRB) для контроля загрязнения нефтью в грунтовых водах, что часто встречается на военных базах и у заправок.
«Очистка грунтовых вод — это не только вопрос материаловедения, но и репрезентативное мультифизическое явление, которое включает в себя сложное взаимодействие потока жидкости и межфазных реакций», — сказал доктор Jaeshik Chung из KIST.
«Это исследование может быть применено не только для очистки грунтовых вод, но и для различных процессов несмешиваемого вытеснения в пористых средах, таких как повышение нефтеотдачи (EOR) и улавливание и хранение углерода (CCS)», — добавил доктор Seunghak Lee из KIST.
«Это достижение показывает, что подземный поток жидкости может вести себя совершенно иначе, чем существующие научные теории, при определённых условиях», — сказал доктор Seunghak Lee из KIST, добавив: «Это исследование закладывает научную основу для более точного контроля подземной среды».
Предоставлено Национальным исследовательским советом науки и технологий.