効率的な油/水混合およびエマルション分離のためのカルボニル鉄/SiO2 粒子の超疎水性に対するシランカップリング剤のグラフト化の研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 788 (2023) この記事を引用

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本研究は、効率的な油/水混合およびエマルジョン分離のための、カルボニル鉄 (CI)/SiO2 粒子上にシランカップリング剤をグラフトすることの湿潤特性を実証しました。 まず、CI 粒子をテトラエトキシシラン (TEOS) と反応させて磁性コンポーネントを作成しました。 次に、CI/SiO2 粒子を 1H,1H,2H,2H-パーフルオロデシルトリエトキシシラン (FAS) とヘキサメチルジシラザン (HDMS) で改質して、磁性超疎水性/超親油性の、リサイクル可能で再利用可能な吸着剤粉末を作成しました。 調製したままの粒子、CI、CI/SiO2、CI/SiO2@FAS、および CI/SiO2@HMDS の水接触角 (WCA) 値は、5.4° ± 1.3°、6.4° ± 1.4°、151.9° ±でした。それぞれ2.1°、170.1°±1.1°。 さらに、さまざまな油の油接触角 (OCA) は 0° に等しいことがわかりました。 したがって、異なる種類の油に対する超疎水性/超親油性粒子は、CI/SiO2@FAS および CI/SiO2@HMDS についてそれぞれ 1.7 ～ 3.1 g/g および 2.5 ～ 4.3 g/g の収着容量を示しました。 さらに、99% を超える 1%w/w ヘキサン/水エマルションの分離効率では、CI/SiO2@HDMS および CI/SiO2@HDMS でそれぞれ 50 mg と 200 mg で最低質量が得られ、小さな油滴を分離します。 また、超疎水性サンプルの再利用性と化学的耐久性により、これらのサンプルはさまざまな過酷な条件で使用するための主要な候補となりました。

今日の世界では、世界中でさまざまな勤勉な人口が発達し、人口が急増しているため、生成される廃水の量が劇的に増加しています1、2、3、4。 海洋環境における産業廃水の排出や石油流出は、生態系や人間の健康を脅かすだけでなく、地球の広範囲の天然資源を破壊するため、研究者はこれらの深刻な環境問題を軽減するための、積極的で抜本的な解決策を重視した戦略を開発する動機になります5,6。 、7。 これまでに油水分離用として、さまざまな特性を持った材料が数多く作られてきました。 分離用に合成された材料は、高い表面積、高い濡れ性または超疎水性、良好な耐久性など、必要な表面品質を備えている必要があります8、9、10、11、12、13。

固体表面の湿潤特性と非湿潤特性は、植物の露やある種の昆虫の羽についた水滴と同様に、環境中で広く見られる最も一般的な自然現象の 1 つであり、人工的にそれが初めて導入されたものです。 Ollivier14 による超耐濡れ特性。 高い見かけの接触角 (> 150°) を持つ超疎水性表面は、油と水の分離にメッシュや多孔質材料の形で一般的に使用されます 15。 これらの材料には、時間のかかる合成プロセス、高コスト、低効率などのいくつかの欠点があり、産業用途への障害と考えられています9、16、17、18、19。 したがって、商業規模の分離プロジェクトでは、シンプルで拡張性があり、低コストの製造方法を開発することが非常に重要です9。 疎水性の問題に関して行われた研究の大部分は、製造方法とプロセス、独特の濡れ性と非濡れ性の背後にある理論、およびそれらの応用に関するものでした14。

優れた超疎水性を持つさまざまな材料を製造するために、化学蒸着 20、相分離 21、層ごとのアセンブリ、エレクトロスピニング堆積 22、コロイドアセンブリ 23、化学エッチング 24 などのさまざまな方法と戦略が導入されています 25、26。 メカニズムとしては、Si-Cl、Si-OCH3、Si-OCH2CH3、Si-NH-Si などの加水分解性基を持たないシランが水と反応してシラノールを生成し、シラノールが表面の水酸基と結合します。材料の表面。 超疎水性材料の製造と改質に関して考慮すべき最も重要な要素には、材料の表面粗さと低い表面エネルギーが含まれます25。 超疎水性を持つ有機材料は通常、水と油を分離するための粉末または 3D 多孔質スポンジの形をしています 27。 また、多孔質の平らなフィルムとして製造したり、メッシュ上にコーティングしたりすることもできます28。 最も一般的な金属メッシュ基材であるステンレス鋼 (SS) および銅材料は、超疎水性吸着剤になるように修飾できます 15。 階層的なマイクロおよびナノ粗さの表面は、酸侵食、コロイド集合体、粗いポリマー膜、結晶成長、化学蒸着 (CVD) などのさまざまな方法で製造されます 15、29、30、31。 現在、表面エネルギーを下げるために、アルキルシランまたはパーフルオロアルキルシラン、PDMS ベースのポリマー、チオール、長アルキル鎖脂肪酸、過フッ素化ポリマーなどが使用されています。 たとえば、1H、1H、2H、2H-パーフルオロオクチルジメチルクロロシラン (PFODMCS)、ジメチルジクロロシラン (DMDCS)、および 1H、1H、2H、2H パーフルオロオクチルトリクロロシラン (PFOTCS) などのクロロシランは、表面に超疎水性を簡単に与えることができます 14,32。