Исследование прививки силанового связующего агента на супергидрофобность частиц карбонильного железа/SiO2 для эффективного разделения смеси нефти и воды и разделения эмульсий.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 788 (2023) Цитировать эту статью

1315 Доступов

5 цитат

5 Альтметрика

Подробности о метриках

Настоящее исследование продемонстрировало смачивающие свойства прививки силанового связующего агента на частицы карбонильного железа (CI)/SiO2 для эффективного разделения смеси масла и воды и разделения эмульсии. Частицы CI сначала подвергались реакции с тетраэтоксисиланом (ТЭОС) для создания магнитного компонента. Затем частицы CI/SiO2 были модифицированы 1H,1H,2H,2H-перфтордецилтриэтоксисиланом (FAS) и гексаметилдисилазаном (HDMS) для создания магнитных супергидрофобных/суперолеофильных, пригодных для вторичной переработки и многократного использования порошков сорбентов. Значения угла контакта с водой (WCA) свежеприготовленных частиц, CI, CI/SiO2, CI/SiO2@FAS и CI/SiO2@HMDS, составляли 5,4° ± 1,3°, 6,4° ± 1,4°, 151,9° ± 2,1° и 170,1° ± 1,1° соответственно. Кроме того, было обнаружено, что углы контакта масла (OCA) различных масел эквивалентны 0°. Таким образом, супергидрофобные/суперолеофильные частицы для разных видов масел показали сорбционную емкость 1,7–3,1 г/г и 2,5–4,3 г/г для CI/SiO2@FAS и CI/SiO2@HMDS соответственно. Кроме того, при эффективности разделения эмульсии гексан/вода с концентрацией 1% по массе выше 99% наименьшая масса была получена при 50 и 200 мг для CI/SiO2@HDMS и CI/SiO2@HDMS соответственно, что указывает на новый эффективный материал для отделение крошечных капель масла. Кроме того, возможность повторного использования и химическая стойкость супергидрофобных образцов сделали их главным кандидатом для использования в различных суровых условиях.

В современном мире количество образующихся сточных вод резко увеличивается из-за развития различных трудолюбивых и быстро развивающихся групп населения во всем мире1,2,3,4. Сброс промышленных сточных вод и разливы нефти в морской среде не только угрожают экосистемам и здоровью человека, но и уничтожают широкий спектр природных ресурсов Земли, что побуждает исследователей разрабатывать упреждающие, радикальные и ориентированные на решения стратегии для смягчения этих серьезных экологических проблем5,6 ,7. На сегодняшний день для разделения нефти и воды произведено множество материалов с различными свойствами. Синтезированные материалы для разделения должны обладать необходимыми поверхностными качествами, такими как высокая площадь поверхности, высокая смачиваемость или супергидрофобность, хорошая долговечность и т. д.8,9,10,11,12,13.

Смачивающие и противосмачивающие свойства твердых поверхностей являются одним из наиболее распространенных природных явлений, которые мы широко наблюдаем в окружающей среде, подобно росе на растениях или каплям воды на крыльях некоторых видов насекомых, искусственный тип которых впервые был представлен как Суперанти-смачивающее средство от Ollivier14. Супергидрофобная поверхность с высоким кажущимся углом смачивания (> 150°) обычно используется в виде сетчатых и пористых материалов для разделения нефти и воды15. Эти материалы страдают некоторыми недостатками, включая трудоемкие процессы синтеза, высокую стоимость и низкую эффективность, которые считаются препятствиями для их промышленного применения9,16,17,18,19. Следовательно, разработка простых, масштабируемых и недорогих методов изготовления имеет большое значение для коммерческого масштаба проектов разделения9. Большинство проведенных исследований по вопросам гидрофобности касались методов и процессов изготовления, теорий, лежащих в основе уникальной смачиваемости и несмачиваемости, а также их применения14.

Были внедрены различные методы и стратегии для изготовления различных материалов с превосходной супергидрофобностью, такие как химическое осаждение из паровой фазы20, фазовое разделение21, послойная сборка, электропрядение22, коллоидная сборка23, химическое травление24 и т. д.25,26. С точки зрения механизма, силаны, не имеющие гидролизуемых групп, такие как Si-Cl, Si-OCH3, Si-OCH2CH3 и Si-NH-Si, реагируют с водой с образованием силанолов, которые затем присоединяются к гидроксильным группам на поверхность материалов. Некоторые из наиболее важных факторов, которые следует учитывать при производстве и модификации супергидрофобных материалов, включают шероховатость поверхности и низкую поверхностную энергию материалов25. Органические материалы с супергидрофобностью обычно имеют форму порошка или трехмерных пористых губок для разделения воды и масла27. Кроме того, их можно производить в виде пористых плоских пленок или с сетчатым покрытием28. Нержавеющая сталь (SS) и медь, наиболее распространенные металлические сетчатые подложки, могут быть модифицированы и превращены в супергидрофобные адсорбенты15. Поверхности с иерархической микро- и наношероховатостью изготавливаются различными методами, такими как кислотная эрозия, коллоидная сборка, шероховатая полимерная пленка, выращивание кристаллов и химическое осаждение из паровой фазы (CVD)15,29,30,31. В настоящее время для снижения поверхностной энергии используются алкилсиланы или перфторалкилсиланы, полимеры на основе ПДМС, тиолы, жирные кислоты с длинной алкильной цепью, перфторированные полимеры и т. д. Например, хлорсиланы, такие как 1H, 1H, 2H, 2H-перфтороктилдиметилхлорсилан (PFODMCS), диметилдихлорсилан (DMDCS) и 1H, 1H, 2H, 2H-перфтороктилтрихлорсилан (PFOTCS), могут легко придавать поверхностям супергидрофобные свойства14,32.