효율적인 오일/물 혼합물 및 에멀젼 분리를 위한 카르보닐 철/SiO2 입자의 초소수성에 대한 그래프팅 실란 커플링제 연구

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 788(2023) 이 기사 인용

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본 연구는 효율적인 오일/물 혼합물 및 에멀젼 분리를 위해 카르보닐 철(CI)/SiO2 입자에 그래프팅 실란 커플링제의 습윤성 특성을 입증했습니다. CI 입자는 먼저 테트라에톡시실란(TEOS)과 반응하여 자성 구성 요소를 생성했습니다. 그런 다음 CI/SiO2 입자를 1H,1H,2H,2H-퍼플루오로데실트리에톡시실란(FAS) 및 헥사메틸디실라잔(HDMS)으로 변경하여 자성 초소수성/초친유성, 재활용 및 재사용 가능한 흡착제 분말을 만들었습니다. 제조된 입자 CI, CI/SiO2, CI/SiO2@FAS 및 CI/SiO2@HMDS의 물 접촉각(WCA) 값은 5.4° ± 1.3°, 6.4° ± 1.4°, 151.9° ±였습니다. 각각 2.1° 및 170.1° ± 1.1°. 또한 다양한 오일의 오일 접촉각(OCA)이 0°에 해당하는 것으로 나타났습니다. 따라서 다양한 종류의 오일에 대한 초소수성/초친수성 입자는 CI/SiO2@FAS 및 CI/SiO2@HMDS에 대해 각각 1.7~3.1g/g 및 2.5~4.3g/g의 흡착 용량을 나타냈습니다. 또한, 1%w/w 헥산/물 에멀젼 분리 효율이 99% 이상인 경우 CI/SiO2@HDMS와 CI/SiO2@HDMS의 경우 각각 50mg과 200mg으로 가장 낮은 질량을 얻어 작은 기름 방울을 분리합니다. 또한 초소수성 샘플의 재사용성과 화학적 내구성으로 인해 다양한 가혹한 조건에서 사용할 수 있는 주요 후보가 되었습니다.

오늘날 세계에서는 전 세계적으로 다양한 산업화 및 호황을 누리는 인구의 발달로 인해 생산되는 폐수의 양이 극적으로 증가하고 있습니다1,2,3,4. 해양 환경의 산업 폐수 배출 및 기름 유출은 생태계와 인류 건강을 위협할 뿐만 아니라 광범위한 지구의 천연 자원을 파괴합니다. 이는 연구자들이 이러한 심각한 환경 문제를 완화하기 위해 사전 예방적이고 과감하며 해결 중심적인 전략을 개발하도록 동기를 부여합니다5,6 ,7. 지금까지 오일과 물 분리를 위해 다양한 특성을 지닌 수많은 물질이 생산되었습니다. 분리를 위해 합성된 물질은 높은 표면적, 높은 습윤성 또는 초소수성, 우수한 내구성 등과 같은 필수 표면 품질을 가져야 합니다8,9,10,11,12,13.

고체 표면의 습윤 및 항습윤 특성은 식물의 이슬이나 최초로 인공 유형이 도입된 일부 곤충 종의 날개에 맺힌 물방울처럼 우리가 환경에서 널리 볼 수 있는 가장 흔한 자연 현상 중 하나입니다. Ollivier14의 뛰어난 젖음 방지 특성. 겉보기 접촉각이 높은(> 150°) 초소수성 표면은 일반적으로 오일과 물 분리를 위해 메시 및 다공성 재료 형태로 사용됩니다15. 이러한 재료는 시간이 많이 걸리는 합성 공정, 높은 비용, 낮은 효율성 등 산업 응용에 장애물로 간주되는 몇 가지 단점을 안고 있습니다. 따라서 간단하고 확장 가능하며 저비용의 제조 방법을 개발하는 것은 상업적 규모의 분리 프로젝트9에 매우 중요합니다. 소수성 문제에 대해 수행된 조사의 대부분은 제조 방법 및 공정, 고유한 습윤성과 비습윤성에 대한 이론 및 그 적용에 관한 것입니다14.

화학적 기상 증착(Chemical Vapor Deposition), 상 분리(Phase Separation), 층별 조립, 전기 방사 증착(Electrospinning Deposition), 콜로이드 조립(Colloid Assembly), 화학적 에칭(Chemical Etching) 등과 같은 우수한 초소수성을 갖춘 다양한 재료를 제조하기 위한 다양한 방법과 전략이 도입되었습니다. 메커니즘적으로는 Si-Cl, Si-OCH3, Si-OCH2CH3, Si-NH-Si 등 가수분해성 그룹을 갖지 않는 실란이 물과 반응하여 실라놀을 생성하고, 이 실란올이 수산기와 결합하는 방식입니다. 재료의 표면. 초소수성 재료의 생산 및 변형을 위해 고려해야 할 가장 중요한 요소 중 일부는 재료의 표면 거칠기와 낮은 표면 에너지를 포함합니다. 초소수성을 지닌 유기 물질은 일반적으로 물과 기름을 분리하기 위한 분말 또는 3D 다공성 스폰지 형태입니다. 또한 다공성 평면 필름으로 생산되거나 메쉬에 코팅될 수 있습니다. 가장 일반적인 금속 메쉬 기판인 스테인리스강(SS)과 구리 재료는 변형되어 초소수성 흡착제가 될 수 있습니다15. 계층적 마이크로 및 나노 거칠기 표면은 산 침식, 콜로이드 조립, 거친 폴리머 필름, 결정 성장 및 화학 기상 증착(CVD)과 같은 다양한 방법으로 제작됩니다. 현재 표면 에너지를 낮추기 위해 알킬실란이나 퍼플루오로알킬실란, PDMS 기반 고분자, 티올, 장쇄 알킬 지방산, 과불화 고분자 등이 사용되고 있다. 예를 들어, 1H, 1H, 2H, 2H-퍼플루오로옥틸디메틸클로로실란(PFODMCS), 디메틸디클로로실란(DMDCS) 및 1H, 1H, 2H, 2H퍼플루오로옥틸트리클로로실란(PFOTCS)과 같은 클로로실란은 표면에 쉽게 초소수성을 부여할 수 있습니다14,32.