Studio dell'innesto di agenti di accoppiamento silanico sulla superidrofobicità delle particelle di ferro carbonilico/SiO2 per un'efficiente miscela olio/acqua e separazione dell'emulsione

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 788 (2023) Citare questo articolo

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Il presente studio ha dimostrato le proprietà di bagnabilità dell'innesto di agenti di accoppiamento silanico su particelle di ferro carbonilico (CI)/SiO2 per un'efficiente miscela olio/acqua e una separazione dell'emulsione. Le particelle CI sono state prima fatte reagire con tetraetossisilano (TEOS) per creare un componente magnetico. Quindi, le particelle CI/SiO2 sono state alterate da 1H,1H,2H,2H-perfluorodeciltrietossisilano (FAS) ed esametildisilazano (HDMS) per creare polveri assorbenti magnetiche superidrofobiche/superoleofile, riciclabili e riutilizzabili. I valori dell'angolo di contatto con l'acqua (WCA) delle particelle così preparate, CI, CI/SiO2, CI/SiO2@FAS e CI/SiO2@HMDS, erano 5,4° ± 1,3°, 6,4° ± 1,4°, 151,9° ± 2,1° e 170,1° ± 1,1°, rispettivamente. Inoltre, gli angoli di contatto dell'olio (OCA) di una varietà di oli sono risultati equivalenti a 0°. Pertanto, le particelle superidrofobiche/superoleofile per tipi di oli diversi hanno mostrato capacità di assorbimento di 1,7–3,1 g/g e 2,5–4,3 g/g per CI/SiO2@FAS e CI/SiO2@HMDS, rispettivamente. Inoltre, per un'efficienza di separazione dell'emulsione esano/acqua all'1% p/p superiore al 99%, la massa più bassa è stata ottenuta a 50 e 200 mg rispettivamente per CI/SiO2@HDMS e CI/SiO2@HDMS, suggerendo un nuovo materiale efficace per separando minuscole goccioline d'olio. Inoltre, la riutilizzabilità e la durabilità chimica dei campioni superidrofobici li hanno resi un ottimo candidato per l’uso in diverse condizioni difficili.

Nel mondo di oggi, la quantità di acque reflue prodotte sta aumentando drasticamente a causa dello sviluppo di varie popolazioni industriose e in forte espansione a livello globale1,2,3,4. Gli scarichi di acque reflue industriali e le fuoriuscite di petrolio nell'ambiente marino non solo minacciano gli ecosistemi e la salute umana, ma distruggono anche un'ampia gamma di risorse naturali della Terra, il che motiva i ricercatori a sviluppare strategie proattive, drastiche e mirate alla soluzione per mitigare questi gravi problemi ambientali5,6 ,7. Finora sono stati prodotti numerosi materiali con diverse proprietà per la separazione di olio e acqua. I materiali sintetizzati per la separazione dovrebbero avere le qualità superficiali richieste come elevata area superficiale, elevata bagnabilità o superidrofobicità, buona durabilità e così via8,9,10,11,12,13.

Le proprietà bagnanti e antibagnanti delle superfici solide sono uno dei fenomeni naturali più comuni che vediamo ampiamente nell'ambiente, proprio come la rugiada sulle piante o le gocce d'acqua sulle ali di alcune specie di insetti che di tipo artificiale per la prima volta furono introdotte come proprietà super-anti-bagnante di Ollivier14. Una superficie superidrofobica con un elevato angolo di contatto apparente (> 150°) è comunemente utilizzata sotto forma di rete e materiali porosi per la separazione di olio e acqua15. Questi materiali presentano alcuni inconvenienti, tra cui processi di sintesi dispendiosi in termini di tempo, costi elevati e bassa efficienza, che sono considerati ostacoli alle loro applicazioni industriali9,16,17,18,19. Pertanto, lo sviluppo di metodi di fabbricazione semplici, scalabili e a basso costo è di grande importanza per la scala commerciale dei progetti di separazione9. La maggior parte delle indagini condotte sui problemi dell'idrofobicità hanno riguardato i metodi e i processi di fabbricazione, le teorie alla base della bagnabilità e della non bagnabilità uniche, nonché le loro applicazioni14.

Sono stati introdotti vari metodi e strategie per fabbricare materiali diversi con eccellente superidrofobicità, come la deposizione chimica da vapore20, la separazione di fase21, l'assemblaggio strato per strato, la deposizione per elettrofilatura22, l'assemblaggio colloidale23, l'attacco chimico24, ecc.25,26. In termini di meccanismo, i silani che non hanno gruppi idrolizzabili, come Si-CI, Si-OCH3, Si-OCH2CH3 e Si-NH-Si, reagiscono con l'acqua per creare silanoli, che vengono poi accoppiati ai gruppi idrossilici su la superficie dei materiali. Alcuni dei fattori più importanti da considerare per la produzione e la modifica dei materiali superidrofobici includono la ruvidità superficiale e la bassa energia superficiale dei materiali25. I materiali organici con superidrofobicità sono tipicamente sotto forma di polvere o spugne porose 3D per separare acqua e olio27. Inoltre, possono essere prodotti come film piatti porosi o rivestiti sulle reti28. L'acciaio inossidabile (SS) e il rame, i substrati di rete metallica più comuni, possono essere modificati per diventare adsorbenti superidrofobici15. Le superfici gerarchiche con micro e nano rugosità sono fabbricate con metodi diversi come l'erosione acida, l'assemblaggio colloidale, la pellicola polimerica ruvida, la crescita dei cristalli e la deposizione chimica da fase vapore (CVD)15,29,30,31. Attualmente, per diminuire l'energia superficiale vengono utilizzati alchilsilani o perfluoroalchilsilani, polimeri basati su PDMS, tioli, acidi grassi a catena alchilica lunga, polimeri perfluorurati e così via. Ad esempio, i clorosilani come 1H, 1H, 2H, 2H-perfluoroctildimetilclorosilano (PFODMCS), dimetildiclorosilano (DMDCS) e 1H, 1H, 2H, 2Hperfluoroottiltriclorosilano (PFOTCS) possono facilmente conferire alle superfici la proprietà superidrofobica14,32.