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

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 788 (2023) Citar este artigo

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O presente estudo demonstrou as propriedades de molhabilidade do enxerto de agentes de acoplamento de silano em partículas de ferro carbonílico (CI)/SiO2 para mistura eficiente de óleo/água e separação de emulsão. As partículas de CI reagiram primeiro com Tetraetoxissilano (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, descobriu-se que os ângulos de contato do óleo (OCAs) de uma variedade de óleos são equivalentes a 0°. Assim, partículas superhidrofóbicas/superoleofílicas para diferentes tipos de óleos apresentaram 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 eficiência de separação de emulsão hexano/água 1% p/p 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 gotículas de óleo. Além disso, a capacidade de reutilização e durabilidade química das amostras superhidrofóbicas tornou-as uma excelente candidata para uso em diferentes condições adversas.

No mundo de hoje, a quantidade de águas residuais produzidas está a aumentar dramaticamente devido ao desenvolvimento de várias populações industriais e em expansão a nível global1,2,3,4. As descargas de águas residuais industriais e os derrames de petróleo no ambiente marinho não só ameaçam os ecossistemas e a saúde humana, mas também destroem uma vasta gama de recursos naturais da Terra, o que motiva os investigadores a desenvolver estratégias proactivas, drásticas e focadas em soluções para mitigar estes graves problemas ambientais5,6 ,7. Até agora, numerosos materiais com diversas propriedades foram produzidos para separação de óleo e água. Os materiais sintetizados para separação devem ter as qualidades de superfície necessárias, como alta área superficial, 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, cujo tipo artificial foi introduzido pela primeira vez como propriedade superanti-umectante de Ollivier14. Uma superfície superhidrofóbica com alto ângulo de contato aparente (> 150°) é comumente usada na forma de malha e materiais porosos para separações de óleo e água . Esses materiais apresentam algumas desvantagens, incluindo processos de síntese demorados, alto custo e baixa eficiência, que são considerados obstáculos às suas aplicações industriais9,16,17,18,19. Portanto, o desenvolvimento de métodos de fabricação simples, escaláveis ​​e de baixo custo é de grande importância para a escala comercial de projetos de separação9. A maioria das investigações conduzidas sobre questões de hidrofobicidade dizem respeito aos métodos e processos de fabricação, às teorias por trás da molhabilidade e não molhabilidade únicas, bem como às suas aplicações .

Vários métodos e estratégias foram introduzidos para fabricar diferentes materiais com excelente superhidrofobicidade, como deposição química de vapor20, separação de fases21, montagem camada por camada, deposição por eletrofiação22, montagem coloidal23, ataque químico24, etc.25,26. Em termos de mecanismo, os silanos que não possuem grupos hidrolisáveis, como Si-CI, Si-OCH3, Si-OCH2CH3 e Si-NH-Si, reagem com água para criar 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 materiais . Os materiais orgânicos com superhidrofobicidade normalmente estão na forma de pó ou esponjas porosas 3D para separar água e óleo . Além disso, podem ser produzidos como filmes planos porosos ou revestidos nas telas28. O aço inoxidável (SS) e o material de cobre, os substratos de malha metálica mais comuns, podem ser modificados para se tornarem adsorventes superhidrofóbicos . 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) . Atualmente, alquilsilanos ou perfluoroalquilsilanos, polímeros à base de PDMS, tióis, ácidos graxos de cadeia alquílica longa, polímeros perfluorados e assim por diante são usados ​​para diminuir a energia superficial. Por exemplo, clorossilanos como 1H, 1H, 2H, 2H-perfluoroctildimetilclorossilano (PFODMCS), dimetildiclorossilano (DMDCS) e 1H, 1H, 2H, 2Hperfluorooctiltriclorossilano (PFOTCS) podem facilmente conferir às superfícies a propriedade superhidrofóbica .