Investigação de agentes de acoplamento de silano de enxerto na superhidrofobicidade de partículas de ferro carbonílico/SiO2 para separação eficiente de mistura óleo/água e emulsão

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 788 (2023) Cite este artigo

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O presente estudo demonstrou as propriedades de molhabilidade de agentes de acoplamento de silano enxertados em partículas de ferro carbonílico (CI)/SiO2 para separação eficiente de mistura óleo/água e emulsão. Partículas de CI foram primeiro reagidas com Tetraetoxisilano (TEOS) para criar um componente magnético. Em seguida, as partículas de CI/SiO2 foram alteradas por 1H,1H,2H,2H-perfluorodeciltrietoxissilano (FAS) e Hexametildissilazano (HDMS) para criar pós sorventes magnéticos superhidrofóbicos/superoleofílicos, recicláveis ​​e reutilizáveis. Os valores do ângulo de contato com a água (WCA) das partículas preparadas, CI, CI/SiO2, CI/SiO2@FAS e CI/SiO2@HMDS, foram 5,4° ± 1,3°, 6,4° ± 1,4°, 151,9° ± 2,1° e 170,1° ± 1,1°, respectivamente. Além disso, os ângulos de contato do óleo (OCAs) de uma variedade de óleos foram equivalentes a 0°. Portanto, partículas superhidrofóbicas/superoleofílicas para diferentes tipos de óleos mostraram capacidades de sorção de 1,7–3,1 g/g e 2,5–4,3 g/g para CI/SiO2@FAS e CI/SiO2@HMDS, respectivamente. Além disso, para a eficiência de separação da emulsão 1%p/p hexano/água superior a 99%, a menor massa foi obtida em 50 e 200 mg para CI/SiO2@HDMS e CI/SiO2@HDMS, respectivamente, sugerindo um novo material eficaz para separando pequenas gotas de óleo. Além disso, a reutilização e a durabilidade química das amostras superhidrofóbicas as tornaram as principais candidatas para uso em diferentes condições adversas.

No mundo de hoje, a quantidade de águas residuais produzidas está aumentando dramaticamente devido ao desenvolvimento de várias populações trabalhadoras e em expansão globalmente1,2,3,4. A descarga de águas residuais industriais e os derramamentos de óleo no ambiente marinho não apenas ameaçam os ecossistemas e a saúde humana, mas também destroem uma ampla gama de recursos naturais da Terra, o que motiva os pesquisadores a desenvolver estratégias proativas, drásticas e focadas em soluções para mitigar esses graves problemas ambientais5,6 ,7. Até agora, vários materiais com várias propriedades foram produzidos para a separação de óleo e água. Os materiais sintetizados para separação devem ter as qualidades de superfície necessárias, como alta área de superfície, alta molhabilidade ou superhidrofobicidade, boa durabilidade e assim por diante8,9,10,11,12,13.

As propriedades umectantes e antiumectantes de superfícies sólidas são um dos fenômenos naturais mais comuns que vemos amplamente no meio ambiente, assim como o orvalho nas plantas ou as gotas de água nas asas de algumas espécies de insetos. propriedade super antiumectante de Ollivier14. Uma superfície superhidrofóbica com um alto ângulo de contato aparente (> 150°) é comumente usada na forma de malha e materiais porosos para separações de óleo e água15. Esses materiais apresentam algumas desvantagens, como processos de síntese demorados, alto custo e baixa eficiência, que são considerados obstáculos para suas aplicações industriais9,16,17,18,19. Portanto, desenvolver métodos de fabricação simples, escaláveis ​​e de baixo custo é de grande importância para projetos de separação em escala comercial9. A maioria das investigações conduzidas sobre as questões de hidrofobicidade dizem respeito aos métodos e processos de fabricação, as teorias por trás da molhabilidade e não molhabilidade únicas, bem como suas aplicações14.

Vários métodos e estratégias foram introduzidos para fabricar diferentes materiais com excelente superhidrofobicidade, como deposição química de vapor20, separação de fase21, montagem camada por camada, deposição por eletrofiação22, montagem coloidal23, ataque químico24, etc.25,26. Quanto ao mecanismo, os silanos que não possuem grupos hidrolisáveis, como Si-Cl, Si-OCH3, Si-OCH2CH3 e Si-NH-Si, reagem com a água para formar silanóis, que são então acoplados a grupos hidroxila em a superfície dos materiais. Alguns dos fatores mais importantes que devem ser considerados para a produção e modificação de materiais superhidrofóbicos incluem rugosidade superficial e baixa energia superficial dos materiais25. Materiais orgânicos com superhidrofobicidade normalmente estão na forma de pó ou esponjas porosas 3D para separar água e óleo27. Além disso, podem ser produzidos como filmes planos porosos ou revestidos nas malhas28. Aço inoxidável (SS) e material de cobre, os substratos de malha metálica mais comuns, podem ser modificados para se tornarem adsorventes superhidrofóbicos15. Superfícies hierárquicas de micro e nano rugosidade são fabricadas por diferentes métodos, como erosão ácida, montagem coloidal, filme polimérico rugoso, crescimento de cristais e deposição química de vapor (CVD)15,29,30,31. Atualmente, alquilsilanos ou perfluoroalquilsilanos, polímeros à base de PDMS, tióis, ácidos graxos de cadeia alquila longa, polímeros perfluorados e assim por diante são usados ​​para diminuir a energia de superfície. Por exemplo, clorosilanos como 1H, 1H, 2H, 2H-perfluoroctildimetilclorossilano (PFODMCS), dimetildiclorossilano (DMDCS) e 1H, 1H, 2H, 2Hperfluorooctiltriclorossilano (PFOTCS) podem facilmente conferir às superfícies a propriedade superhidrofóbica14,32.