Rozlany olej można usuwać z wody za pomocą zapór, pomp i materiałów chłonnych. Naukowcy badają jednak również zupełnie inne rozwiązanie: połączenie oleju z odpowiednio przygotowanym materiałem magnetycznym, a następnie oddzielenie go za pomocą pola magnetycznego. Takie metody mogą być stosowane zarówno do zbierania warstwy oleju unoszącej się na powierzchni wody, jak i do usuwania bardzo drobnych kropli oleju rozproszonych w wodzie. Sam olej nie staje się przy tym ferromagnetykiem. To przyłączone do niego cząstki magnetyczne sprawiają, że olej można przemieszczać i oddzielać za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego.

Dlaczego magnes nie przyciąga oleju?

Typowy olej spożywczy, silnikowy czy ropa naftowa nie wykazują właściwości ferromagnetycznych, które pozwalałyby po prostu wyciągnąć je z wody za pomocą magnesu stałego. Ich naturalna odpowiedź na pole magnetyczne jest zbyt słaba, aby można ją było praktycznie wykorzystać w taki sposób. Dlatego potrzebny jest dodatkowy materiał reagujący znacznie silniej na pole magnetyczne.

W badaniach wykorzystuje się między innymi magnetyczne nanocząstki na bazie tlenków żelaza oraz inne materiały ferrimagnetyczne, takie jak ferryt kobaltu. Ich powierzchnię można chemicznie zmodyfikować tak, aby cząstki unikały wody, a chętnie łączyły się z olejem. Po przyczepieniu się do warstwy lub kropli oleju tworzą układ reagujący na niejednorodne pole magnetyczne. Magnes oddziałuje więc przede wszystkim na cząstki magnetyczne, które zabierają ze sobą związany z nimi olej.

Dwa sposoby magnetycznego oddzielania oleju

Magnetyczny sorbent zbierający olej

Jednym z rozwiązań jest zastosowanie materiału hydrofobowego, czyli słabo zwilżanego przez wodę, a jednocześnie silnie oleofilowego. W badaniu opublikowanym w 2010 roku wykorzystano magnetyczne cząstki Fe₂O₃@C o odpowiednio zmodyfikowanej powierzchni. Selektywnie zbierały one olej smarowy unoszący się na powierzchni wody, wiążąc go w ilości dochodzącej do około 3,8 razy własnej masy. Następnie cząstki wraz z olejem można było zebrać w ciągu kilku sekund za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego.

Co ważne, w tym doświadczeniu nie chodziło o usuwanie stabilnej emulsji, lecz przede wszystkim o zbieranie oleju znajdującego się na powierzchni wody. Autorzy wykazali również, że olej można było usunąć z powierzchni cząstek za pomocą obróbki ultradźwiękowej, a sam materiał wykorzystać ponownie w kolejnych cyklach separacji.

Magnetyczne „znaczenie” drobnych kropli oleju

Inny problem występuje wtedy, gdy olej nie tworzy widocznej warstwy, lecz jest rozproszony w wodzie w postaci bardzo małych i względnie stabilnych kropli. Taką metodę badali między innymi naukowcy z University of Texas at Austin. Wykorzystali magnetyczne nanocząstki o odpowiednio zmodyfikowanej powierzchni, które przyłączały się do kropli ropy. Powstałe agregaty można było następnie znacznie szybciej oddzielić przy użyciu pola magnetycznego niż za pomocą samego procesu grawitacyjnego.

Rozwiązanie badano w odniesieniu do tzw. produced water, czyli wody wydobywanej razem z ropą i gazem. Po wcześniejszych etapach oczyszczania mogą w niej pozostawać niewielkie krople węglowodorów, których usunięcie jest trudne właśnie ze względu na ich małe rozmiary i powolne rozdzielanie pod wpływem grawitacji. W takim przypadku nanocząstki nie pełnią przede wszystkim funkcji gąbki pochłaniającej dużą plamę oleju, lecz działają jak magnetyczne znaczniki przyczepiane do rozproszonych kropli.

Pomysł MIT: namagnesować jedną z faz i ją oddzielić

Naukowcy związani z MIT zaproponowali bardziej rozbudowany proces separacji. Do mieszaniny oleju i wody miały być dodawane odpowiednio przygotowane cząstki magnetyczne. W jednym z wariantów cząstki oleofilowe i hydrofobowe przyłączały się preferencyjnie do fazy olejowej. Tak przygotowany olej można było następnie oddzielać od wody za pomocą odpowiednio rozmieszczonych magnesów stałych.

Co istotne, koncepcja nie kończyła się na samym przeciągnięciu oleju magnesem. Kolejny etap miał polegać na oddzieleniu nanocząstek od odzyskanego oleju za pomocą wysokogradientowego separatora magnetycznego, tak aby cząstki mogły zostać ponownie wykorzystane, a olej pozostał możliwie wolny od materiału magnetycznego. Pokazuje to, że w praktycznej technologii potrzebny byłby cały układ separacyjny, a nie tylko silny magnes neodymowy zbliżony do powierzchni wody.

Jak skuteczne mogą być takie materiały?

Badania nad magnetycznymi sorbentami nadal trwają. W pracy opublikowanej w 2025 roku przygotowano nanocząstki ferrytu kobaltu CoFe₂O₄ z powierzchnią zmodyfikowaną związkami fluorowęglowymi. Badano ich zdolność do usuwania odpadowego syntetycznego oleju silnikowego z modelowej mieszaniny oleju i wody. W zależności od rodzaju powierzchni cząstek skuteczność adsorpcji oleju wynosiła od 87 do 98 procent, a najlepszy z badanych materiałów wiązał średnio około 3,1 g oleju na gram adsorbentu.

Trzeba jednak uważać z przenoszeniem tych wartości bezpośrednio na rzeczywiste katastrofy ekologiczne. Eksperymenty przeprowadzano w kontrolowanym układzie laboratoryjnym. W testach regeneracji stosowano 50 ml mieszaniny zawierającej 0,5 procent objętościowych oleju oraz 50 mg adsorbentu. Autorzy uzyskali również 77–97 procent odzysku oleju podczas desorpcji i wykazali możliwość przeprowadzenia kilku kolejnych cykli adsorpcji i regeneracji materiału.

Czy można w ten sposób oczyszczać morze po wycieku ropy?

Na razie nie należy traktować tej technologii jako standardowej metody stosowanej podczas dużych katastrof morskich. Badania pokazują, że magnetyczne sorbenty i nanocząstki mogą skutecznie pomagać w separacji oleju od wody, ale zastosowanie ich na ogromną skalę stawia dodatkowe wymagania. Trzeba rozprowadzić materiał w skażonej wodzie, zebrać możliwie wszystkie cząstki, odzyskać z nich olej i nie dopuścić do pozostawienia nanomateriałów w środowisku. Znaczenie mają również koszty, możliwość wielokrotnego użycia sorbentu oraz bezpieczeństwo ekologiczne zastosowanych substancji.

Magnes może więc rzeczywiście pomóc „wyciągnąć” olej z wody, ale nie dlatego, że przyciąga sam olej. Potrzebny jest magnetyczny pośrednik, którego powierzchnia została zaprojektowana tak, aby wiązał się z olejem. Dopiero olej połączony z takim materiałem można skutecznie przemieszczać i oddzielać za pomocą odpowiednio ukształtowanego pola magnetycznego.

Bibliografia

1. Zhu, Q., Tao, F., Pan, Q., „Fast and Selective Removal of Oils from Water Surface via Highly Hydrophobic Core–Shell Fe₂O₃@C Nanoparticles under Magnetic Field”, ACS Applied Materials & Interfaces, 2010, 2(11), 3141–3146. DOI: 10.1021/am1006194. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/am1006194

2. Ko, S., Kim, E. S., Park, S., Daigle, H., Milner, T. E., Huh, C., Bennetzen, M. V., Geremia, G. A., „Oil Droplet Removal from Produced Water Using Nanoparticles and Their Magnetic Separation”, SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dubai, 2016, SPE-181893-MS. DOI: 10.2118/181893-MS.

3. Khushrushahi, S., Zahn, M., Hatton, T. A., „Magnetic Separation Method for Oil Spill Cleanup”, Magnetohydrodynamics, 2013, 49(3–4), 546–551. DOI: 10.22364/mhd.49.3-4.55. https://mhd.sal.lv/contents/2013/3/MG.49.3.55.R.html

4. Hardesty, L., „How to Clean Up Oil Spills”, MIT News, Massachusetts Institute of Technology, 12 września 2012. https://news.mit.edu/2012/how-to-clean-up-oil-spills-0912

5. Košak, A., Hadela, A., Poberžnik, M., Lobnik, A., „Magnetic Separation of Oil Spills from Water Using Cobalt Ferrite Nanoparticles with Fluorocarbon Functionalization”, International Journal of Molecular Sciences, 2025, 26(14), 6562. DOI: 10.3390/ijms26146562. https://www.mdpi.com/1422-0067/26/14/6562