Właściwości fizyczne obiektów w nanoskali zależą od rozmiarów obiektu i pozwalają na wykorzystanie efektów kwantowych. Połączenie tych cech nanomateriałów pozwala „przestrajać” ich własności poprzez zmianę rozmiarów. Ma to szczególne znaczenie w sensoryce. Prowadzi się badania nad nanocząstkami, które będą pasywnymi sensorami, czyli zmienią swój stan pod wpływem określonego czynnika środowiskowego lub kontaktu z określoną substancją. Mogłyby one zostać wykorzystane do detekcji złóż lub ich charakteryzacji – wpuszczone jednym odwiertem odzyskuje się je w innym miejscu i w ten sposób sprawdza, jakie napotkały warunki (przykładowo za pomocą fluorescencji), np. w zakresie temperatury czy pH.

Więcej ze źródła
Wymiernym zyskiem dla przemysłu wydobywczego jest umożliwienie pozyskania surowców, których nie da się wydobyć w łatwy sposób. Współczesne możliwości nie pozwalają nawet na wydobycie połowy zasobów danego źródła. Wynika to z istnienia sił kapilarnych więżących olej w skalnych mikroporach. Na początku nafta sama tryska ze złoża po wykonaniu odwiertu, jednak z czasem jej ciśnienie spada. Sposobem na utrzymywanie tego ciśnienia jest systematyczne pompowanie wody do odwiertu, która „wypycha” naftę. Z czasem jednak i ta metoda nie wystarcza: olej pozostaje w małych porach skały czy wręcz w drobnym piasku. Gra toczy się o wysoką stawkę, dlatego wykorzystuje się różne sposoby, aby zmaksymalizować wydobycie. Udało się to m.in. Norwegom i Chińczykom, którzy użyli nanocząsteczek – wzbogacili nimi wtłaczaną wodę, przez co zdołali zdobyć nawet 50% pozostałego surowca. Woda, wpływając do porów, płynie jak w rzece – w wąskich miejscach nabiera prędkości i wywiera wyższe ciśnienie, natomiast w szerokich kanałach płynie wolniej. Nanocząsteczki obecne w wodzie wolniej przepływają przez wąskie miejsca, stopniowo się na nich osadzając. Prowadzi to do blokowania niektórych kanałów i w końcu do ich zamknięcia. Dzięki temu woda wywiera wyższe ciśnienie na inne tunele i może je odblokować, odzyskując cenny surowiec. Odkryto, że najlepiej spisują się elastyczne cząstki z polimerów o średnicy około 100 nm, gorzej wypadają te z twardych materiałów, np. krzemu.

Nanomateriały pomagają także w rafinacji kopalin. Membrany oparte na nanomateriałach spisują się lepiej niż membrany ceramiczne: są mocniejsze wytrzymalsze na wahania temperatur. Ponadto nadają się do impregnowania nanocząsteczkami i modyfikowania w taki sposób, żeby wybiórczo przepuszczały gazy. Ekolodzy upatrują w tym szansy na zmniejszenie emisji CO₂.

Takie są perspektywy, ale nie brak też rozwiązań komercyjnych. Rive, start-up założony przez absolwentów MIT, oferuje ulepszone zeolity, czyli minerały służące jako katalizatory w procesie rafinacji nafty. W porach zeolitów węglowodory rozkładają się (za pomocą kwasów) na paliwa, które wykorzystujemy w transporcie (benzyna, olej napędowy). W naturalnych zeolitach wielkość porów wynosi około 1 nm, więc pozwala na łamanie jedynie tych krótszych łańcuchów węglowodorowych. Dlatego zeolity z porami 10 razy większymi (średnice około 10 nm), które oferuje Rive, znacznie poprawiają proces rafinacji. Umożliwiają wykorzystanie dłuższych łańcuchów węglowodorowych, czyli tańszych frakcji ropy naftowej, przez co rośnie produkcja i maleją koszty. Technologia modyfikacji zeolitów opiera się na mieszaniu ich z roztworem alkalicznym oraz dodawaniu tymczasowego surfaktantu. Ten tworzy małe struktury, wokół których zeolit się odbudowuje, wytwarzając większe pory. Rafineria w Teksasie, która go wykorzystuje, podaje, że dzięki technologii oszczędza 2,5 dolara na baryłce ropy. Dodatkowy atut to możliwość zmodyfikowania już wykorzystywanych zeolitów w rafineriach.

Ze względu na rosnącą świadomość ekologiczną coraz ważniejsza wydaje się likwidacja potencjalnych skutków wycieku ropy podczas transportu. Na szczęście wachlarz technologii wspomagających „czyszczenie” oleju rośnie. Gąbki z nanorurek węglowych doskonale nadają się do tego celu: dobrze absorbują olej i inne zanieczyszczenia. Nanorurki węglowe to puste w środku rurki złożone ze zrolowanej warstwy węgla. Jeśli się doda do nich siarki, powoduje to powstawanie defektów na ich powierzchni. One z kolei pozwalają na przyłączenie do nich żelaza – niezbędnego do manipulacji nanorurkami za pomocą magnesów. Takie struktury zebrano w klastry o średnicy do 20 mm, aby móc je kontrolować. Nierówna i znaczna powierzchnia oraz porowatość sprawiają, że substancja doskonale absorbuje zanieczyszczenia, takie jak di-chlorobenzen czy różnego typu oleje.

To niejedyny pomysł na radzenie sobie z wyciekami olejów. Inżynierowie z Uniwersytetu Stanu Ohio wynaleźli siatkę, która nadaje się do separacji wody i oleju. Większe połacie materiału pozwolą na skonstruowanie „sieci” na oleje. Być może z technologii skorzystają też systemy do wykrywania złóż, ponieważ można wyprodukować taką siatkę, która wiąże materiał. Siatka składa się ze stali nierdzewnej pokrytej polimerem i surfaktantami (środkami, których używamy m.in. w środkach myjących – zmniejszają napięcie powierzchniowe wody). Na nią naparowuje się krzem, aby uzyskać nierówną powierzchnię – skorzystać z efektu lotosu. Tak zbudowane warstwy odpychają olej, a przepuszczają wodę. Co ważne dla środowiska: wykorzystane materiały są tanie i nietoksyczne.

Oszczędność wody
Przemysł petrochemiczny stanowi obciążenie dla środowiska nie tylko ze względu na niebezpieczeństwo związane z wyciekami substancji. Produkcja ropy zużywa ogromne ilości wody: szacuje się, że na jedną baryłkę produktu przypada 10 baryłek wody wykorzystanej w trakcie różnych procesów (wydobywczych, rafineryjnych). Nie odzyskuje się jej, jednak amerykański koncern Lockheed prowadzi działania mające na celu opracowanie technologii pozwalającej na jej oczyszczanie. Z pomocą mają przyjść filtry nanotechnologiczne: membrany grafenowe. Grafen to pojedyncza warstwa węgla. W swojej strukturze nie różni się niczym od grafitu, poza tym, że grafit składa się z wielu takich warstw, a grafen tylko z jednej. Sam ten fakt sprawia, że ma on wyjątkowe właściwości, m.in. wykazuje dużą wytrzymałość mechaniczną. Membrana Perforene, nad którą pracuje Lockheed Martin, nie składa się z pojedynczej warstwy grafenowej, ale zawiera w sobie ten materiał. W tej chwili wielkość porów membrany wynosi 50-100 nm, co wystarczy do skutecznego oczyszczania wody. Firma deklaruje, że udoskonalone membrany tego typu będą kiedyś służyć do odsalania wody – o ile uda się osiągnąć pory o wielkości ok. 1 nm.

Korzystając z biomasy
Ekologiczne badania podjęli także naukowcy z Uniwersytetu w Twente, skupiając się na nafcie produkowanej z biomasy. Produkowana w taki sposób rzadko dorównuje jakością i wydajnością energetyczną konwencjonalnemu olejowi kopalnemu. Katalizator rozwinięty w Twente poprawia jakość surowca zanim ten nawet trafi do rafinerii. To dobre wieści dla przemysłu paliw odnawialnych, bo olej powstaje w całości z odpadów roślinnych i można go mieszać z paliwami wydobywanymi. Proces, który zastosowali inżynierowie, polega na podgrzewaniu oleju w atmosferze azotowej do 500°C, a następnie zastosowaniu katalizatora: węglika sodu na warstwie glinu. Dzięki temu wydajność energetyczna oleju poprawia się z 20 do 33-37 MJ/kg, co nawet przewyższa olej skalny i zbliża się do jakości oleju napędowego. W tej chwili trwają testy technologii na małą skalę. Można ją jeszcze udoskonalić, dodając w procesie cezu – w ten sposób zmniejsza się wydzielanie związków aromatycznych szkodliwych dla zdrowia.

Magnetyczna kontrola
Jak sprawdzić autentyczność gotowego produktu rafineryjnego? Nie dotyczy to paliw, ale droższych olejów przemysłowych. Okazuje się, że nanotechnologia może dostarczyć środków do znakowania olejów. Pomysł zrodził się na politechnice w Zurychu – naukowcy zastanawiali się, jak można sprawdzać, czy droga oliwa pochodzi faktycznie z zadeklarowanego źródła i czy jej nie rozcieńczano. Rozwiązanie polega na dodawaniu przez producenta krzemowych kapsułek zawierających magnetyczne DNA – mające praktycznie nieograniczone możliwości kodowania informacji. Kilka gramów substancji wystarczyłoby do oznaczenia całej rocznej produkcji oliwy we Włoszech. W razie podejrzenia fałszerstwa wystarczyłoby wyekstrahować kapsułki i je przeanalizować, identyfikując producenta. Rozcieńczenie łatwo badać poprzez stężenie nanokapsułek.

To prawda, że większość nanotechnologii w przemyśle rafineryjnym wciąż pozostaje w fazie prototypów. Jak pokazują udane wdrożenia niektórych rozwiązań na przemysłową skalę, można się spodziewać wzrostu tej dziedziny inżynierii w rafineriach. Tym bardziej że wachlarz zastosowań jest wyjątkowo bogaty i oferuje wiele perspektyw.