Oliebindend vermogen: hoe materialen olie opzuigen als een spons
Stel je een olievlek voor die na een scheepsongeluk op zee drijft. In plaats van de olie met schepnetten en schuimschepbootjes bijeen te vegen, gooi je er een blok materiaal in dat lijkt op een keukenspons. Binnen enkele seconden zuigt dat materiaal de olie op, maar laat het omringende zeewater grotendeels met rust. Knijp je de spons daarna uit boven een opvangbak, dan krijg je de olie terug en kun je de spons meteen opnieuw gebruiken. Het vermogen om op die manier selectief olie op te nemen, heet oliebindend vermogen, in vakliteratuur ook wel oil sorption capacity genoemd.
Oliebindend vermogen is geen op zichzelf staande technologie, maar een meetbare eigenschap van een materiaal: hoeveel gram olie kan één gram van dat materiaal vasthouden voordat het verzadigd raakt? Vroeger gebruikte men hiervoor vooral natuurlijke stoffen zoals stro, zaagsel of veenmos (een soort turfmos dat van nature veel vocht en olie kan vasthouden). Tegenwoordig richt materiaalonderzoek zich op nieuwe, sterk poreuze materialen die tientallen tot honderden keren hun eigen gewicht aan olie kunnen opnemen, terwijl ze water grotendeels negeren. Dat maakt ze interessant voor het opruimen van olierampen op zee, maar ook voor het scheiden van olie en water in de industrie, bijvoorbeeld bij ballastwater van schepen of afvalwater van raffinaderijen.
Wat is het precies?
Iedereen die weleens een sladressing heeft gemaakt, weet dat olie en water niet mengen. Materialen met een goed oliebindend vermogen maken hier handig gebruik van door twee eigenschappen te combineren. Ten eerste zijn ze oleofiel: hun oppervlak trekt olie aan, vergelijkbaar met hoe een vetvlek zich makkelijk aan textiel hecht. Ten tweede zijn ze hydrofoob, wat betekent dat ze water juist afstoten, zoals een eendenveer die droog blijft in de regen.
Die twee eigenschappen alleen zijn niet genoeg; het materiaal moet ook veel olie kunnen vasthouden, niet alleen aan de oppervlakte laten kleven. Daarvoor is een poreuze structuur nodig: een sponsachtig netwerk van piepkleine kanaaltjes en holtes, vergelijkbaar met de gaatjes in een spons voor de vaat, maar dan vaak duizenden keren kleiner. Hoe fijner en talrijker die poriën, hoe groter het totale oppervlak waarop olie zich kan hechten en waarin het via capillaire werking naar binnen wordt gezogen — hetzelfde principe waardoor een rietje vloeistof omhoog trekt.
Onderzoekers maken onderscheid tussen absorptie, waarbij olie letterlijk in het materiaal wordt opgenomen zoals water in een spons, en adsorptie, waarbij olie alleen aan het oppervlak blijft plakken, zoals bij klei of actieve kool. De meeste moderne sorbents combineren beide effecten. Om materialen onderling te vergelijken, gebruiken laboratoria wereldwijd een gestandaardiseerde test, bekend als ASTM F726, waarbij een monster in olie wordt ondergedompeld en na uitlekken wordt gewogen om het opnamevermogen in gram olie per gram materiaal te bepalen.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter dit onderzoek is het sneller, goedkoper en schoner opruimen van olierampen. De huidige methoden hebben allemaal nadelen. Mechanisch skimmen — het afscheppen van olie met drijvende machines — werkt slecht bij golfslag of bij een dunne olievlek die over een groot oppervlak is uitgesmeerd. Het verbranden van olie op zee produceert giftige rook. En het gebruik van chemische dispergeermiddelen, stoffen die de olie in kleine druppeltjes opbreken zodat ze zich in de waterkolom verspreiden, is omstreden vanwege mogelijke schadelijke effecten op mens en zeeleven.
Sorbentmaterialen met een hoog oliebindend vermogen bieden in theorie een alternatief: ze nemen olie passief op zonder chemicaliën toe te voegen, kunnen soms worden uitgeknepen en hergebruikt, en zijn in principe ook inzetbaar op plekken met weinig infrastructuur, zoals afgelegen kustgebieden of poolwateren. Daarnaast is er belangstelling vanuit de industrie: olieplatforms, raffinaderijen en scheepvaart produceren voortdurend met olie verontreinigd water dat gezuiverd moet worden voordat het geloosd mag worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste voorbeelden is de Oleo Sponge, ontwikkeld door onderzoekers van het Amerikaanse Argonne National Laboratory en voor het eerst breed onder de aandacht gebracht rond 2017-2018. Het materiaal is gebaseerd op gewoon polyurethaanschuim — het soort schuimrubber dat ook in matrassen zit — dat is behandeld met een oleofiele coating. Volgens de ontwikkelaars kan het schuim tientallen keren zijn eigen gewicht aan olie opnemen en is het uit te knijpen en opnieuw te gebruiken. Het materiaal is onder meer getest in water uit de Amerikaanse Grote Meren.
Minder spectaculair maar veel wijdverbreider is polypropyleen, een kunststof die al decennialang de industriestandaard vormt voor sorbentmatten, -kussens en -slangen (booms) die na olierampen op het water worden gelegd. Bedrijven als het Amerikaanse Elastec produceren dit soort materiaal op industriële schaal voor rampenbestrijdingsdiensten.
Onderzoekers kijken ook naar natuurlijke alternatieven. Kapokvezel, afkomstig van de kapokboom (Ceiba pentandra), heeft van nature holle, wasachtige vezels die olie goed vasthouden en water afstoten. Dit maakt het tot een veelbestudeerd, biologisch afbreekbaar alternatief voor kunststof sorbents, met name in onderzoek uit Azië.
Aan de experimentele kant staan grafeen- en cellulose-aerogels: extreem lichte, sponsachtige materialen die in laboratoriumomstandigheden hoge opnamecapaciteiten laten zien. Ze worden vooral onderzocht aan universiteiten, met opvallend veel publicaties uit Chinese onderzoeksgroepen, maar staan nog ver af van grootschalige productie.
Tot slot blijft veenmos (sphagnum), een traditioneel natuurproduct, bij kleinere lekkages nog altijd in gebruik vanwege de lage kosten en brede beschikbaarheid, al is het niet herbruikbaar zoals de nieuwere materialen.
Hoe ver is de techniek?
Er bestaat een duidelijk verschil tussen wat al operationeel is en wat nog experimenteel. Polypropyleen sorbents zijn volledig volwassen technologie: gestandaardiseerd, commercieel verkrijgbaar en al tientallen jaren in gebruik bij rampenbestrijdingsdiensten. Nieuwere materialen zoals de Oleo Sponge of aerogels zijn daarentegen nog vooral in de fase van laboratorium- en pilotonderzoek. Ze zijn weliswaar getest in echte watersystemen, maar zijn — voor zover publiek bekend — nog niet op grote schaal ingezet bij een daadwerkelijke olieramp.
De belangrijkste obstakels zijn praktisch van aard: kan een materiaal goedkoop genoeg worden geproduceerd om in de hoeveelheden die een echte olieramp vereist te worden ingezet? Hoe vaak kan het materiaal daadwerkelijk worden uitgeknepen en hergebruikt voordat de prestaties achteruitgaan? En wat gebeurt er met het materiaal en de opgevangen olie ná gebruik — kan het veilig worden afgevoerd of gerecycled? Ook prestaties onder ruwe omstandigheden, zoals koud water, hoge golven of ijs, zijn lastiger te garanderen dan onder gecontroleerde laboratoriumomstandigheden.
De ramp met het boorplatform Deepwater Horizon in de Golf van Mexico in 2010, destijds een van de grootste olierampen ooit, gaf een flinke impuls aan onderzoek naar betere opruimmethoden, mede door de controverse rond het gebruikte dispergeermiddel Corexit. Sindsdien is de wetenschappelijke belangstelling voor sorbentmaterialen gestaag gegroeid, maar van een doorbraak die de bestaande aanpak (skimmen, booms, dispergeermiddelen) op korte termijn zou vervangen, is nog geen sprake.
Wie werken eraan?
Het Argonne National Laboratory, onderdeel van het Amerikaanse ministerie van Energie, geldt als een van de bekendere onderzoekscentra op dit gebied vanwege de Oleo Sponge. Daarnaast doen tal van universiteiten wereldwijd onderzoek naar nieuwe sorbentmaterialen, met name naar aerogels en biogebaseerde vezels; Chinese en Japanse onderzoeksgroepen zijn hierin opvallend actief.
Aan de commerciële kant produceren gespecialiseerde bedrijven zoals Elastec (Verenigde Staten) sorbentmateriaal en rampenbestrijdingsuitrusting voor de olie- en scheepvaartindustrie. Organisaties als de International Tanker Owners Pollution Federation (ITOPF) en de Amerikaanse oceanografische dienst NOAA ontwikkelen zelf geen materialen, maar spelen een belangrijke rol bij het testen, standaardiseren en verspreiden van kennis over de effectiviteit van opruimtechnieken bij echte olierampen.