Ученые из корейского Университета Тханьлонг и вьетнамского Института науки и технологий Пеникаа создали губку для сбора разливов нефти, работающую на солнечной энергии. В ее основе лежит люфа – натуральная растительная мочалка, широко применяемая в быту и сельском хозяйстве в тропических странах. В исходном виде она не подходит для работы с нефтепродуктами, так как хорошо впитывает воду, но исследователи удачно модифицировали ее, в результате превратив в эффективный сорбент, который способен не только поглощать нефть, но и частично отдавать ее обратно без механического отжима.
На первом этапе люфу химически очистили от лигнина, сохранив трехмерную сеть целлюлозных волокон с крупными капиллярами. Затем на поверхность волокон нанесли углеродные квантовые точки – наночастицы углерода размером менее 10 нанометров, эффективно поглощающие свет в ультрафиолетовом и видимом диапазоне. Завершающим этапом стала неравновесная плазменная обработка в аргоне, которая позволила убрать часть гидрофильных функциональных групп и сделать поверхность губки водоотталкивающей и олеофильной. В результате краевой угол смачивания водой увеличился с 76,9° у исходной люфы до 129,6° у плазменно обработанного образца, а у варианта с углеродными точками составил 112,3°, что говорит о принципиально ином поведении материала на границе вода – нефть.
Ключевую роль в работе губки играет солнечный свет. За счет углеродных квантовых точек материал поглощает около 80% излучения в диапазоне 200-800 нм, тогда как немодифицированная люфа поглощает лишь около 20%. При освещении с интенсивностью, сопоставимой с обычным солнечным светом в ясный день, поверхность сухого материала нагревается до 48-52 °C всего за несколько минут, а в присутствии нефти – до 42-44 °C. Такой нагрев снижает вязкость нефтепродуктов и ускоряет их движение по капиллярам. В экспериментах скорость продвижения масла внутри структуры достигала 0,14 см в секунду при освещении и 0,086 см в секунду в темноте.
По сорбционной способности материал демонстрирует показатели, сопоставимые с лучшими биомассовыми и синтетическими сорбентами. В темных условиях губка с углеродными точками и плазменной обработкой впитывает до 6,6 г нефти на каждый грамм собственного веса, а при освещении – около 6 г/г. Для сравнения, исходная люфа удерживает примерно 4,4 г/г. При этом солнечный нагрев дает двойственный эффект – нефть быстрее проникает внутрь структуры, но одновременно усиливается и ее обратный выход из крупных пор.
Именно эта особенность стала одним из главных результатов работы. В отличие от большинства сорбентов, которые требуют отжима или прессования, модифицированная люфа способна самопроизвольно отдавать часть собранной нефти под действием силы тяжести. В экспериментах эффективность такого самовыделения достигала 41,7%, что соответствует примерно 2,5 г нефти на грамм материала при освещении. Даже в темноте губка отдавала около 1,3 г/г. Максимальная интенсивность стекания наблюдалась в первые 40 секунд, после чего процесс стабилизировался без разрушения структуры.
В случае, если заявленные характеристики подтвердятся в ходе пилотной эксплуатации, разработка азиатских исследователей может стать настоящим прорывом в очистке разливов нефти в прибрежных и морских экосистемах.
