Аэрогель из Израиля впитывает нефть и помогает её разлагать

Учёные Университета Бен-Гуриона создали углеродный аэрогель, способный удерживать десятки собственных масс нефти и одновременно поддерживать её биодеградацию. В основе технологии — целлюлоза, азот и фосфор.


После разлива нефти самое заметное происходит в первые часы: пятно стараются остановить бонами, собрать с поверхности скиммерами или связать сорбентами. Но даже после механической очистки часть углеводородов остаётся в воде, на берегу и в донных отложениях. Дальше начинается медленная работа микроорганизмов, способных использовать компоненты нефти как источник углерода.

Команда Университета Бен-Гуриона попыталась соединить эти два этапа в одном материале. Разработанный ими NSCA — nutrient-supplemented carbonized aerogel, углеродный аэрогель с добавленными питательными веществами, — сначала действует как очень лёгкая губка для углеводородов, а затем превращается в площадку для их биологического разложения.

Исходным сырьём служат целлюлозные волокна. Их обогащают соединениями азота и фосфора, высушивают замораживанием, а затем подвергают пиролизу. При температуре около 450 °C исследователи получили материал с углом смачивания 139°: вода его почти не пропитывает, зато нефть хорошо задерживается в пористой структуре.

В подробных испытаниях оптимальная версия аэрогеля удерживала около 78 граммов сырой нефти на грамм собственного веса. Для разных углеводородов разработчики сообщают показатель примерно до ста собственных масс. Ёмкость такого сорбента зависит от состава и физических свойств жидкости, поэтому для разных нефтепродуктов цифры различаются.

Но высокая впитывающая способность — только половина замысла. В морской воде углеводородов после аварии много, а доступных азота и фосфора, необходимых бактериям для быстрого размножения, часто недостаточно. Биоремедиацию давно усиливают внесением этих питательных веществ. В новой системе они встроены непосредственно в аэрогель и, по данным работы, химически связаны с материалом, а не просто вымываются в окружающую воду.

Получается локальная микросреда: нефть концентрируется внутри пор, поверхность служит опорой для бактериальной биоплёнки, а рядом оказываются необходимые микроорганизмам азот и фосфор. В опытах с загрязнённой искусственной морской водой аэрогель с питательными веществами ускорял и увеличивал степень биодеградации по сравнению с таким же материалом без добавок. Чем выше было содержание доступных питательных компонентов, тем заметнее становился эффект.

«Сочетание физической адсорбции с биодеградацией предлагает перспективную альтернативу традиционным подходам», — говорит профессор Ариэль Кушмаро, руководивший исследовательской группой. Для аварийной очистки это принципиальная идея: сорбент не только переносит нефть из воды в твёрдый материал, который потом нужно утилизировать, а удерживает загрязнение в месте, удобном для работы бактерий.

В этом есть и расчёт на снижение отходов. Исследователи рассматривают возможность того, что со временем биологическим процессам будет подвергаться и сам материал на целлюлозной основе. Если это подтвердится вне лаборатории, после завершения очистки потребуется собирать и утилизировать меньше загрязнённого сорбента.

До практического применения ещё предстоит пройти несколько этапов. Работа проводилась в лаборатории, а эксперименты по биодеградации — в искусственной морской воде. В открытом море эффективность будет зависеть от температуры, солёности, волнения, кислорода, состава нефти и местных микробных сообществ. Тяжёлые и уже выветрившиеся нефтяные фракции бактерии обычно разрушают медленнее лёгких углеводородов.

У технологии есть и инженерный вопрос — производство в масштабе. Пиролиз требует энергии, поэтому авторы отдельно искали минимальную рабочую температуру и получили пригодный материал уже при 360 °C, хотя лучшие показатели были при 450 °C. Для экологической технологии этот баланс между эффективностью очистки и энергозатратами будет не менее важен, чем лабораторная ёмкость сорбента.

Исследование опубликовано в Chemical Engineering Journal Advances. Патентной защитой разработки занимается BGN Technologies, структура коммерциализации Университета Бен-Гуриона. Следующий серьёзный экзамен для аэрогеля — испытания в более сложной среде, где нефть, бактерии и сам сорбент окажутся под действием реальных течений и погоды.

СОВЕТ ОТ РЕДАКЦИИ

Сорбент, который впитал нефть, ещё не означает очищенную экосистему. Ценность новой технологии именно в попытке соединить быстрый сбор загрязнения с последующим биологическим разложением углеводородов на месте.

Фото: редакция ИЗНАНКИ.