Étude des agents de couplage silane de greffage sur la superhydrophobie des particules de fer carbonyle/SiO2 pour une séparation efficace du mélange huile/eau et des émulsions

Jul 17, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 788 (2023) Citer cet article

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La présente étude a démontré les propriétés de mouillabilité des agents de couplage silane greffés sur des particules de fer carbonyle (CI)/SiO2 pour une séparation efficace du mélange huile/eau et des émulsions. Les particules de CI ont d'abord réagi avec du tétraéthoxysilane (TEOS) pour créer un composant magnétique. Ensuite, les particules CI/SiO2 ont été modifiées par du 1H,1H,2H,2H-perfluorodécyltriéthoxysilane (FAS) et de l'hexaméthyldisilazane (HDMS) pour créer des poudres absorbantes magnétiques superhydrophobes/superoléophiles, recyclables et réutilisables. Les valeurs de l'angle de contact avec l'eau (WCA) des particules telles que préparées, CI, CI/SiO2, CI/SiO2@FAS et CI/SiO2@HMDS, étaient de 5,4° ± 1,3°, 6,4° ± 1,4°, 151,9° ± 2,1° et 170,1° ± 1,1°, respectivement. De plus, les angles de contact avec l'huile (OCA) de diverses huiles se sont avérés équivalents à 0°. Par conséquent, les particules superhydrophobes/superoléophiles pour différents types d’huiles ont montré des capacités de sorption de 1,7 à 3,1 g/g et de 2,5 à 4,3 g/g pour CI/SiO2@FAS et CI/SiO2@HMDS, respectivement. En outre, pour une efficacité de séparation de l'émulsion hexane/eau à 1 % p/p supérieure à 99 %, la masse la plus faible a été obtenue à 50 et 200 mg pour CI/SiO2@HDMS et CI/SiO2@HDMS, respectivement, suggérant un nouveau matériau efficace pour séparer les minuscules gouttelettes d’huile. En outre, la réutilisation et la durabilité chimique des échantillons superhydrophobes en ont fait un candidat de choix pour une utilisation dans différentes conditions difficiles.

Dans le monde d'aujourd'hui, la quantité d'eaux usées produites augmente considérablement en raison du développement de diverses populations industrieuses et en plein essor à l'échelle mondiale1,2,3,4. Les rejets d'eaux usées industrielles et les déversements de pétrole dans le milieu marin menacent non seulement les écosystèmes et la santé humaine, mais détruisent également un large éventail de ressources naturelles de la Terre, ce qui motive les chercheurs à développer des stratégies proactives, drastiques et axées sur des solutions pour atténuer ces graves problèmes environnementaux5,6. ,7. Jusqu’à présent, de nombreux matériaux aux propriétés diverses ont été produits pour la séparation de l’huile et de l’eau. Les matériaux synthétisés pour la séparation doivent avoir les qualités de surface requises telles qu'une surface spécifique élevée, une mouillabilité ou une superhydrophobicité élevée, une bonne durabilité, etc.8,9,10,11,12,13.

Les propriétés mouillantes et anti-mouillantes des surfaces solides sont l'un des phénomènes naturels les plus courants que nous observons largement dans l'environnement, tout comme la rosée sur les plantes ou les gouttelettes d'eau sur les ailes de certaines espèces d'insectes dont le type artificiel a été introduit pour la première fois comme propriété super-anti mouillante par Ollivier14. Une surface superhydrophobe avec un angle de contact apparent élevé (> 150°) est couramment utilisée sous forme de maillage et de matériaux poreux pour les séparations d'huile et d'eau15. Ces matériaux souffrent de certains inconvénients, notamment des processus de synthèse longs, des coûts élevés et une faible efficacité, qui sont considérés comme des obstacles à leurs applications industrielles9,16,17,18,19. Par conséquent, le développement de méthodes de fabrication simples, évolutives et peu coûteuses revêt une grande importance pour l’échelle commerciale des projets de séparation9. La majorité des recherches menées sur les problèmes d'hydrophobicité ont concerné les méthodes et processus de fabrication, les théories derrière la mouillabilité et la non-mouillabilité uniques ainsi que leurs applications14.

Diverses méthodes et stratégies ont été introduites pour fabriquer différents matériaux présentant une excellente superhydrophobicité, tels que le dépôt chimique en phase vapeur20, la séparation de phases21, l'assemblage couche par couche, le dépôt par électrofilage22, l'assemblage colloïdal23, la gravure chimique24, etc.25,26. En termes de mécanisme, les silanes qui n'ont pas de groupes hydrolysables, tels que Si-CI, Si-OCH3, Si-OCH2CH3 et Si-NH-Si, réagissent avec l'eau pour créer des silanols, qui sont ensuite couplés à des groupes hydroxyles sur la surface des matériaux. Certains des facteurs les plus importants à prendre en compte pour la production et la modification de matériaux superhydrophobes comprennent la rugosité de la surface et la faible énergie de surface des matériaux25. Les matériaux organiques superhydrophobes se présentent généralement sous forme de poudre ou d’éponges poreuses 3D pour séparer l’eau et l’huile27. En outre, ils peuvent être produits sous forme de films plats poreux ou appliqués sur les mailles28. L’acier inoxydable (SS) et le cuivre, les substrats en treillis métallique les plus courants, peuvent être modifiés pour devenir des adsorbants superhydrophobes15. Les surfaces hiérarchiques de micro et nano rugosité sont fabriquées par différentes méthodes telles que l'érosion acide, l'assemblage colloïdal, le film polymère rugueux, la croissance cristalline et le dépôt chimique en phase vapeur (CVD)15,29,30,31. Actuellement, les alkylsilanes ou perfluoroalkylsilanes, les polymères à base de PDMS, les thiols, les acides gras à longue chaîne alkyle, les polymères perfluorés, etc. sont utilisés pour diminuer l'énergie de surface. Par exemple, les chlorosilanes tels que le 1H, 1H, 2H, 2H-perfluoroctyldiméthylchlorosilane (PFODMCS), le diméthyldichlorosilane (DMDCS) et le 1H, 1H, 2H, 2Hperfluorooctyltrichlorosilane (PFOTCS) peuvent facilement conférer aux surfaces la propriété superhydrophobe14,32.