原油泄露一向以其突發性和不可預見性而臭名昭著，它會給海洋環境和海洋生物帶來嚴重的破壞，因此必須在它造成長期災難之前迅速封攔。當前的溢油封攔和回收技術使用圍油欄和用于集油的撇油器，但它們很難徹底解決溢油問題。

圍油欄用于阻止溢油范圍的進一步擴大，防止溢油流向敏感的海岸線地帶。有些設計還會通過吸油來清除溢油，或使用撇油器來清除溢油。在其他情況下，也會通過可控燃燒來清除水中的溢油，但這會產生其他污染物；或是向水中投入化學分散劑，以此加速油分子的分解。

雖然這些方法都可以幫助清理溢油，但在清理過程中回收的溢油有限，而且只有在漏油發生后迅速在泄漏地點采取行動才能發揮作用。大部分油會沉到海底。例如，1989 年埃克森油輪瓦迪茲號在距阿拉斯加港灣較遠處發生漏油事故，大部分的漏油最終都無法收回。

回收物通常只是部分可用的水油混合物。換言之，除了明顯的環境問題，當在清理完成后嘗試從廢油中提取原始數量的原油時，還要進行更多的泵吸。

所以，我們需要一種同時能防止生態災難發生，還可避免石油浪費的清理方法。專注于環境技術領域的咨詢公司 Amphos 21 積極開發了疏水網數值模型。疏水網是科學家和技術人員正在研究的一種全新的溢油收集技術。他們的目標是什么呢？就是為這一難題找出一個快捷、簡單易用的環保解決方案。

他們將疏水網定義為一種多孔介質，并開發了計算機仿真及定制 App，以便分發給產品開發、災害應對及環境組織的相關人員使用。他們希望能通過仿真 App 為工程師、研究人員和清理團隊提供虛擬測試的能力，使他們在爭分奪秒地防止溢油破壞的同時，能對特定溢油場景做出恰當的處理。

新型溢油回收方法的潛力

Amphos 21 正在研究的疏水網由不銹鋼或銅制成，表面涂有疏水性聚合物，以便將油引入并排出水分。工作方式類似于過濾網：水會留在外側，石油則可以滲入（見圖 1）。石油流經網眼的速率取決于水深、原油屬性（因泵吸油位置而異）和金屬上的涂層。

圖1 . 疏水網的工作原理。圖注：Fluid Height–液體高度；Oil–油；Breakthrough Pressure–突破壓力；Water–水；Recovered Oil (Water Free)–回收油（不含水）； Recovered Oil (With Water)–回收油（含水）；Hydrophobic Mesh–疏水網

“除了能有效從水中分離出石油外，它還提供了無需再加工即可回收溢油的可能性，省去了加工這一成本高昂的清理步驟。” Amphos 21 公司的顧問 Emilie Coene 說，“這些網可以連續使用，很干凈，具有很好的潛在回收效果和性能。”

假定疏水網能夠與封阻設備配合使用來阻擋溢油的進一步擴散。例如，在使用攔油索圍住溢油的同時，直接向油中部署疏水網和采油箱（見圖2）；然后，定期將收集到的油從采油箱中泵出，保證網兩側維持正確的壓力差。

圖 2. 概念：輪船拖動圍油欄將油污限制在一定范圍內，然后使用疏水網進行采集。

“您不妨這樣設想，我們在海洋中布下一個大的圓柱形容器（網），直到網中充滿石油后再將油排空。”高級顧問兼項目經理 Orlando Silva 說，“您也可以部署采油器，將它連在泵上，以便在采油時持續抽取。它們還可以針對多種不同的工作條件進行定制。”他繼續說，“我們希望能為正在設計各類清理工具的研發工程師、正進行相關研究的環境公司，以及正努力為一些大型問題尋找解決方案的石油公司提供幫助。”

液體高度是疏水網收集方法面臨的一個難題。在特定水深下，靜水壓力會達到“突破”，水將侵入網和集油器內部。如果打撈的石油中混入了過多的水，在使用前就必須先進行加工和處理。

網的留存屬性與油-空氣和水-空氣的表面張力、網表面上油水的接觸角相關。表面涂層會產生疏水性，但這種疏水性在特定的水深下會被破壞。流體屬性（因油的類型而異，比如粘度、密度和表面張力等）、網格孔隙率和滲透率都將影響通過網的油流和水流。

那么，Amphos 21 的團隊如何才能針對不同的水位和原油類型設計疏水網呢？各類疏水涂層在不同海洋深度下的表現又如何呢？

答案是要根據不同的溢油條件找出網疏水屬性的最優組合。團隊借助數值仿真進行了研究，希望找出能收集最多溢油的最佳設計。

網的設計如何影響油通量？

即使大體知道應從哪里開始，但要攻克這個目前還沒人能解決的難題，也無從下手。不過，數學建模極大地簡化了這一過程。

Coene、Silva 和他們在 Amphos 21 公司的合作伙伴兼建模解決方案主管 JorgeMolinero 使用 COMSOL Multiphysics? 軟件為疏水網開發了一個仿真模型，用來分析網的設計在不同水深下的表現，評估各種可能影響網的性能的因素。

疏水網的成功與否最終可以根據測量油的回收率及回收油的純度進行評估。因此，團隊在建模時還需要測試聚合物涂層的不同屬性及網在各種海洋深度下的工作情況，并分析不同種類油的流量。

為了查看不同幾何構造對油通量的影響，他們還對網線半徑、網眼大小及間距施行了參數化分析。在 COMSOL? 軟件中，他們將網定義為一種多孔介質，并耦合兩相流來表征穿過網的水和油。之后，Coene、Molinero 和 Silva 能夠計算出含油飽和度、油和水的流量速率，以及滲入網內的油中含水的比例（見圖3 左及中部）。“這些結果有助于網眼半徑尺寸的選擇，特別是在設計用于特定深度的網時。”Molinero 評論道。

圖 3. COMSOL? 軟件結果顯示了油通量如何滲入網內（左）、水流分數隨網線半徑和水深的變化（中），多孔分析顯示了流體高度、網眼半徑及油通量之間的關系（右）。

在研究最大油通量和最優流體高度的相關性后，他們還基于給定的最高含水比例在模型中運行了一個多孔分析（見圖 3 右），最高水分數是指不需要再對原油進行處理時混合物中允許的含水量。

“我們可以從模型結果中提取不同網孔尺寸下的油通量及與期望的油純度對應的最高液柱高度。”Coene 繼續說，“例如，假設我希望將網用于水平面下至少半米處，并希望混合物中的水分最多為 1%，它就可以顯示需要哪種網眼半徑。”

仿真 App 提供設計能力

借助 COMSOL 軟件，我們可以輕松與他人共享仿真結果，而無需分享整個模型。“我們通過 COMSOL Multiphysics 中的 App 開發器將模型封裝在一個定制的用戶界面內。”Silva 解釋說，“仿真 App 使我們能向用戶分發仿真結果，而不必將整個模型交給他們。公司可以借助這些 App 來減少實驗次數、節省測試成本，他們可以只模仿網的一小部分，然后放大結果，最終設計出需要的產品。這是疏水網設計中一項非常有前景的進步。”

Amphos 21 的 App（見圖 4）支持用戶預測網的性能，并能通過更改網和流體屬性來快速檢查各種設計在不同工作條件下的表現。只要不到 30 秒，用戶就可以對一系列的網眼尺寸和水深進行分析，并能基于給定的最高含水比例找出特定水深下的最佳疏水網。

圖 4. Amphos 21 疏水網 App 的部分界面截圖，分別為多孔分析的輸入項（上）、網格和流體屬性（下）。

App 還能夠計算不同的網屬性（比如絕對滲透率）和其他與突破壓力相關的物理量，從而幫助設計人員選出能滿足不同環境要求的理想選擇。“我們認為，對研發部門、環境團體及其他正在努力解決該問題的相關領域人員而言，這一方法會非常具有吸引力。”Molinero 說，“借助 COMSOL 模型及基于模型開發的定制 App，我們終于在新型溢油清理技術的開發中取得了突破。”

接下來，他們會將制作好的 App 分發給工程師，實現對疏水網模型的大規模應用，由此，工程師將能針對給定情況設計出最理想的疏水網，最終通過部署這些新工具實現實時應用。