Микрофлюидика показывает, что гидрофильные поверхности удерживают больше нефти, чем гидрофобные, для очистки грунтовых вод

Исследователи из Центра изучения цикла водных ресурсов Корейского института науки и технологий (KIST) с помощью микрофлюидной системы, позволяющей точно наблюдать микроскопические потоки жидкости, изучили взаимодействие нефти и воды в пористых средах в различных условиях. Эксперименты, проведенные при постоянном перепаде давления, имитирующем реальный поток грунтовых вод, показали, что нефть легко высвобождается с гидрофобных поверхностей, тогда как на гидрофильных поверхностях её удерживается больше. Эти наблюдения были подтверждены аналитической моделью вытеснения несмешивающихся флюидов.

Работа, опубликованная в журнале npj Clean Water, противоречит распространенному подходу к разделению нефти и воды с использованием гидрофобных материалов, адсорбирующих нефть. В условиях потока через пористую среду, такую как грунтовые воды, гидрофильные поверхности, легко связывающиеся с молекулами воды, удерживают больше нефти. В гидрофобных материалах больший контактный угол на границе раздела, где вода отталкивает нефть, снижает капиллярный перепад давления, но увеличивает разницу давлений из-за вязкости жидкости, что ускоряет поток воды в порах и вытесняет больше нефти. В гидрофильных материалах относительно низкая скорость потока в порах при тех же условиях давления хуже выталкивает нефть, и значительное её количество остается.

Исследование выходит за рамки простого анализа поведения жидкости и предлагает новую интерпретационную основу для миграции и осаждения загрязнителей в грунтовых водах. Результаты могут внести вклад в эффективное проектирование и эксплуатацию сооружений для предотвращения загрязнения, таких как проницаемые реактивные барьеры (PRB), для контроля нефтяного загрязнения на военных базах и заправочных станциях. «Очистка грунтовых вод — это не только вопрос материаловедения, но и представительное многодисциплинарное явление, включающее сложное взаимодействие потока жидкости и поверхностных реакций», — отметил доктор Джэшик Чунг (KIST). По словам доктора Сынхака Ли (KIST), это достижение показывает, что подземный поток жидкости может вести себя совершенно иначе, чем предполагают существующие научные теории, и закладывает научную основу для более точного контроля подземной среды.