Experimental removal of subsurface oil droplets

Abstract

Background: Addressing oil spills is crucial to protect the marine environment (Etkin, 2021). While physical and mechanical recovery methods have proven effective in controlling surface oil slicks (Doshi, 2018), subsurface challenges remain unaddressed. There is a need for low-cost, effective, and environmentally friendly solutions for subsurface oil removal. Bioinspired designs, based on nature’s evolutionary optimization, could offer promising solutions to oil spills. Objectives: The primary objective was to explore innovative and bioinspired approaches for effectively capturing and eliminating oil droplets from subsurface environments. The study aims to pioneer breakthroughs in biomimetic technologies for subsurface oil recovery. The objectives include developing a system inspired by humpback whales using bubbles, creating a fiber-based system inspired by copepods, and exploring sound as a separation technique for emulsions. Additionally, to decode the fluid mechanics within each capture system, unraveling the optimal processes responsible for successful oil droplet capture and separation in the emulsion simulation. And finally to assess system performance and potential for real-world scaling beyond the lab setting. Methods: A controlled environment simulating post-spill scenarios was established using different types of oil (crude oil, canola oil, fish oil). The emulsions were then exposed to three technology systems: micro-bubble redirection system, brush capture system, and sound wave modulations. The efficiency of oil removal and capture from the subsurface was measured using absorbent weight for the micro-bubble systems and lipid extraction for capture brush efficiency. High-speed camera images were taken to track oil droplet redirection in a flow tank, and ImageJ software to analyze droplet characteristics for effective control. Results: The analysis demonstrated that the Micro-Bubble air flotation method emerges as a highly efficient solution for post-spill oil recovery, consistently demonstrating exceptional performance. Cylinder-Ring Bubble Air Flotation method achieves a remarkable 72.4% recovery rate for canola oil, while fish oil exhibits a 14.0% recovery rate after 3 hours, highlighting the influence of oil viscosity. Be- 4 yond mere buoyancy, air bubbles showcase versatility, redirecting and containing oil droplets. The Micro-Bubble Redirection System, quantitatively assessed in a controlled environment, proves to be a significant breakthrough in controlling oil dispersion in aquatic settings. The biomimetic brush exhibited substantial oil capture capability. The fiber capture system at 360 RPM for 1-minute cycles, repeated 50 times, achieved over 46% oil removal. The modified brush at the same speed and duration captured over 19% of total oil. Post-treatment, the average size of oil droplets increased from 4.5 m to 5.5 m, showcasing changes in droplet size distribution with the fiber capture system. The sonic treatment effectively separated the majority of oil from water, revealing small oil droplets (x = 0.026 mm) in the central emulsion. This phenomenon warrants further investigation as a potential alternative to chemical surfactants. Conclusion: The development of biomimetic tools for oil spill clean-up represents a significant advancement in environmental protection. By addressing subsurface oil droplets, these methods contribute to safeguarding marine food webs from oil contamination. This study underscores the importance of innovative, natureinspired solutions in tackling complex environmental challenges.

Contexte : La lutte contre les déversements de pétrole est cruciale pour atténuer leur impact sur l’environnement marin (Etkin, 2021). Alors que les méthodes de récupération physique et m´ecanique se sont révélées efficaces pour contrôler les nappes de pétrole en surface (Doshi, 2018), les d´efis liés aux couches sous-marines restent non résolus. Il existe un besoin de solutions économiques, efficaces et respectueuses de l’environnement pour l’élimination du pétrole en sous-surface. Les conceptions bioinspirées, basées sur l’optimisation évolutive de la nature, pourraient offrir des solutions prometteuses aux déversements de pétrole. Objectifs : L’objectif principal était d’explorer des approches innovantes et bioinspirées pour capturer et éliminer efficacement les gouttelettes de pétrole des environnements sousmarins. L’étude vise à initier des percées dans les technologies biomimétiques pour la récupération du pétrole en sous-surface. Les objectifs incluent le développement d’un système inspiré des baleines à bosse utilisant des bulles, la création d’un système basé sur les fibres inspiré des copépodes, et l’exploration du son comme technique de séparation des émulsions. De plus, décoder la mécanique des fluides dans chaque système de capture, en démêlant les processus optimaux responsables de la capture et de la séparation réussies des gouttelettes de pétrole dans la simulation d’émulsion. Enfin, évaluer les performances du système et son potentiel de mise à l’échelle dans le monde réel au-delà du cadre du laboratoire. Méthodes : Un environnement contrôlé simulant des scénarios post-déversement a été établi en utilisant différents types de pétrole (pétrole brut, huile de colza, huile de poisson). Les émulsions ont ensuite été exposées à trois systèmes technologiques : système de redirection à micro-bulles, système de capture par brosse, et modulations des ondes sonores. L’efficacité de l’élimination et de la capture du pétrole en sous-surface a été mesurée en utilisant le poids absorbant pour les systèmes à micro-bulles et l’extraction des lipides pour l’efficacité de la brosse de capture. Des images de caméra haute vitesse ont été prises pour suivre la redirection des gouttelettes de pétrole dans 1 un réservoir à écoulement, et le logiciel ImageJ pour analyser les caractéristiques des gouttelettes pour un contrôle efficace. Résultats : L’analyse a démontré que la méthode de flottation d’air à microbulles émerge comme une solution très efficace pour la récupération d’huile après une fuite, montrant de manière cohérente des performances exceptionnelles. La méthode de flottation d’air à cylindre-anneau atteint un remarquable taux de récupération de 72,4% pour l’huile de canola, tandis que l’huile de poisson présente un taux de récupération de 14,0 % après 3 heures, mettant en évidence l’influence de la viscosité de l’huile. Au-delà de la simple flottabilité, les bulles d’air montrent leur polyvalence en redirigeant et en contenant les gouttelettes d’huile. Le système de redirection à microbulles, évalué de manière quantitative dans un environnement contôlé, s’avère être une avancée significative dans le contrôle de la dispersion de l’huile dans les milieux aquatiques. La brosse biomimétique a montré une capacité de capture substantielle de l’huile. Le système de capture de fibres à 360 tours par minute pendant des cycles d’1 minute, répété 50 fois, a atteint plus de 46% d’élimination de l’huile. La brosse modifiée à la même vitesse et durée a capturé plus de 19 % de l’huile totale. Après traitement, la taille moyenne des gouttelettes d’huile est passée de 4,5 m à 5,5 m, mettant en évidence des changements dans la distribution de la taille des gouttelettes avec le système de capture de fibres. Le traitement sonique a séparé efficacement la majorité de l’huile de l’eau, révélant de petites gouttelettes d’huile (x = 0,026 mm) dans l’émulsion centrale. Ce phénomène mérite une investigation plus approfondie en tant qu’alternative potentielle aux agents tensioactifs chimiques. Conclusion : Le développement d’outils biomimétiques pour le nettoyage des déversements de pétrole représente une avancée significative dans la protection de l’environnement. En s’attaquant aux gouttelettes de pétrole en sous-surface, ces méthodes contribuent à protéger les réseaux alimentaires marins de la contamination par le pétrole. Cette étude souligne l’importance de solutions innovantes et inspirées par la nature pour relever les défis environnementaux complexes.