Nieuwe nanodeeltjes voorkomen minerale ophoping in apparatuur die water-oliemengsels verwerkt

Tijdens het proces van oliewinning kan de opbouw van hard mineraal in de leidingen en apparatuur ernstige operationele schade, veiligheidsproblemen zoals pijpexplosies en aanzienlijke economische verliezen veroorzaken. De huidige methoden voor het ontkalken van minerale opbouw kunnen echter een negatieve impact hebben op het milieu.

Onderzoekers van Penn State hebben een nieuw nanodeeltje ontwikkeld dat scaling kan voorkomen en een veelgebruikte emulsie of vloeistofmengsel kan stabiliseren, waardoor de oliewinningsprocessen mogelijk efficiënter en minder schadelijk voor het milieu worden, aldus het team. Het materiaal kan ook worden gebruikt in andere apparatuur die water-olie-emulsies verwerkt.

Hun resultaten waren gepubliceerd in ACS Toegepaste Materialen & InterfacesHet werk werd ook vermeld in de aanvullende publicatie van het tijdschrift omslag.

“Ons doel was om de uitdaging van calciumcarbonaatvorming, ook wel bekend als kalkaanslag, in tweefasenolie-watersystemen aan te pakken. Deze uitdaging komt voor in talloze watergebaseerde industrieën, zoals de olie- en gassector”, aldus corresponderend auteur Amir Sheikhi, universitair hoofddocent chemische technologie en de Dorothy Foehr Huck en J. Lloyd Huck Early Career Chair in Biomaterials and Regenerative Engineering.

In veel industrieën, zoals olie en gas, farmaceutica, cosmetica en voeding, coëxisteert water met een niet-mengbare fase, zoals een olie of een organisch oplosmiddel dat niet met water kan mengen, waardoor een tweefasensysteem ontstaat. Als dit systeem kalkaanslag krijgt, kan dit ernstige operationele en veiligheidsrisico’s opleveren, aldus Sheikhi, omdat het leidingen blokkeert en apparatuur kapotmaakt.

“Huidige antikalkoplossingen hebben een negatieve impact op het milieu of werken alleen in eenfasige waterige media”, aldus Sheikhi.

Om dit probleem op te lossen, synthetiseerden Sheikhi en zijn team eerst een nanodeeltje op basis van cellulose, genaamd anionische harige cellulose nanokristallen (AHCNC), dat de vorming van kalkaanslag kon voorkomen, maar niet in staat was water-in-olie-emulsies te stabiliseren.

Vervolgens ontwikkelden ze een nieuw type multifunctionele, biogebaseerde nanodeeltjes, genaamd amfifiele harige cellulose nanokristallen (AmHCNC), met unieke chemische en structurele eigenschappen die niet alleen de vorming van kalkaanslag voorkomen, maar ook water-in-olie-emulsies stabiliseren, die veel voorkomen bij oliewinning, aldus de onderzoekers.

“Onze innovatie ligt in de nano-engineering van een type nanodeeltje—AmHCNC—dat tegelijkertijd scaling voorkomt en water-in-olie-emulsies stabiliseert via het Pickering-mechanisme—een combinatie die nog niet is bereikt,” aldus Sheikhi. Het Pickering-mechanisme verwijst naar een proces dat de interface tussen twee niet-mengbare oplosmiddelen stabiliseert met kleine vaste deeltjes, zoals nanodeeltjes.

“Deze anti-kalkdeeltjes zijn biologisch gebaseerd, veilig voor het milieu en kosteneffectief. Ze bieden een duurzame oplossing voor het langdurige industriële probleem van kalkaanslag.”

De onderzoekers zijn nu op zoek naar partners om hun technologie te testen in real-world settings, zoals verbeterde oliewinning, om de prestaties ervan op grotere schaal te evalueren. Ze zijn ook van plan om potentiële toepassingen in andere industrieën te verkennen, zoals cosmetica en voedsel.

“Deze technologie kan nieuwe mogelijkheden bieden voor duurzame en veiligere industriële praktijken”, aldus Sheikhi, die ook een beleefdheidsaanstelling heeft bij de afdeling Biomedische Technologie van de Faculteit der Ingenieurswetenschappen, de afdeling Scheikunde van de Eberly College of Science en de afdeling Neurochirurgie van de Faculteit der Geneeskunde.