Investigación del injerto de agentes de acoplamiento de silano sobre la superhidrofobicidad de las partículas de carbonilhierro/SiO2 para una mezcla eficiente de aceite/agua y una separación de emulsión

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 788 (2023) Citar este artículo

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El presente estudio demostró las propiedades de humectabilidad del injerto de agentes de acoplamiento de silano en partículas de carbonil hierro (CI)/SiO2 para una mezcla eficiente de aceite/agua y una separación de emulsión. Las partículas de CI se hicieron reaccionar primero con tetraetoxisilano (TEOS) para crear un componente magnético. Luego, las partículas de CI/SiO2 se alteraron con 1H,1H,2H,2H-perfluorodeciltrietoxisilano (FAS) y hexametildisilazano (HDMS) para crear polvos absorbentes magnéticos superhidrofóbicos/superoleofílicos, reciclables y reutilizables. Los valores del ángulo de contacto con el agua (WCA) de las partículas preparadas, CI, CI/SiO2, CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HMDS, fueron 5,4° ± 1,3°, 6,4° ± 1,4°, 151,9° ± 2,1° y 170,1° ± 1,1°, respectivamente. Además, se encontró que los ángulos de contacto con el aceite (OCA) de una variedad de aceites eran equivalentes a 0°. Por lo tanto, las partículas superhidrofóbicas/superoleófilas para diferentes tipos de aceites mostraron capacidades de sorción de 1,7 a 3,1 g/g y de 2,5 a 4,3 g/g para CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HMDS, respectivamente. Además, para una eficiencia de separación de emulsión de hexano/agua al 1% p/p superior al 99%, la masa más baja se obtuvo a 50 y 200 mg para CI/SiO2@HDMS y CI/SiO2@HDMS, respectivamente, lo que sugiere un nuevo material eficaz para separando pequeñas gotas de aceite. Además, la reutilización y la durabilidad química de las muestras superhidrofóbicas las convirtieron en candidatas principales para su uso en diferentes condiciones adversas.

En el mundo actual, la cantidad de aguas residuales producidas está aumentando dramáticamente debido al desarrollo de varias poblaciones industriosas y en auge a nivel mundial1,2,3,4. La descarga de aguas residuales industriales y los derrames de petróleo en el medio marino no solo amenazan los ecosistemas y la salud humana, sino que también destruyen una amplia gama de recursos naturales de la Tierra, lo que motiva a los investigadores a desarrollar estrategias proactivas, drásticas y centradas en soluciones para mitigar estos graves problemas ambientales5,6 ,7. Hasta el momento, se han producido numerosos materiales con diversas propiedades para la separación de aceite y agua. Los materiales sintetizados para la separación deben tener las cualidades superficiales requeridas, como área superficial alta, alta humectabilidad o superhidrofobicidad, buena durabilidad, etc.8,9,10,11,12,13.

Las propiedades humectantes y antihumectantes de las superficies sólidas son uno de los fenómenos naturales más comunes que vemos ampliamente en el medio ambiente, como el rocío en las plantas o las gotas de agua en las alas de algunas especies de insectos. Ese tipo artificial por primera vez se introdujo como Propiedad súper anti humectante de Ollivier14. Una superficie superhidrofóbica con un alto ángulo de contacto aparente (> 150°) se usa comúnmente en forma de malla y materiales porosos para separaciones de aceite y agua15. Estos materiales tienen algunos inconvenientes, incluidos los procesos de síntesis que consumen mucho tiempo, el alto costo y la baja eficiencia, que se consideran obstáculos para sus aplicaciones industriales9,16,17,18,19. Por lo tanto, el desarrollo de métodos de fabricación simples, escalables y de bajo costo es de gran importancia para la escala comercial de los proyectos de separación9. La mayoría de las investigaciones realizadas sobre los problemas de hidrofobicidad se han relacionado con los métodos y procesos de fabricación, las teorías detrás de la humectabilidad y la no humectabilidad únicas, así como sus aplicaciones14.

Se han introducido varios métodos y estrategias para fabricar diferentes materiales con excelente superhidrofobicidad, como la deposición química de vapor20, la separación de fases21, el ensamblaje capa por capa, la deposición por electrohilado22, el ensamblaje coloidal23, el grabado químico24, etc.25,26. En cuanto al mecanismo, los silanos que no tienen grupos hidrolizables, como Si-Cl, Si-OCH3, Si-OCH2CH3 y Si-NH-Si, reaccionan con agua para crear silanoles, que luego se acoplan a grupos hidroxilo en la superficie de los materiales. Algunos de los factores más importantes que se deben considerar para la producción y modificación de materiales superhidrofóbicos incluyen la rugosidad superficial y la baja energía superficial de los materiales25. Los materiales orgánicos con superhidrofobicidad generalmente se encuentran en forma de polvo o esponjas porosas 3D para separar el agua y el aceite27. Además, pueden producirse como películas planas porosas o recubrir las mallas28. El acero inoxidable (SS) y el material de cobre, los sustratos de malla metálica más comunes, pueden modificarse para convertirse en adsorbentes superhidrofóbicos15. Las superficies jerárquicas de micro y nano rugosidad se fabrican mediante diferentes métodos, como la erosión ácida, el ensamblaje coloidal, la película de polímero rugosa, el crecimiento de cristales y la deposición química de vapor (CVD)15,29,30,31. Actualmente, los alquilsilanos o perfluoroalquilsilanos, los polímeros basados en PDMS, los tioles, los ácidos grasos de cadena alquílica larga, los polímeros perfluorados, etc., se utilizan para disminuir la energía superficial. Por ejemplo, los clorosilanos como 1H, 1H, 2H, 2H-perfluoroctildimetilclorosilano (PFODMCS), dimetildiclorosilano (DMDCS) y 1H, 1H, 2H, 2Hperfluorooctiltriclorosilano (PFOTCS) pueden dar fácilmente a las superficies la propiedad superhidrofóbica14,32.

Matin et al. informaron sobre el recubrimiento por inmersión del separador SS utilizando diferentes concentraciones de materiales de silano, perfluo-rooctiltriclorosilano33. Demostraron que después de siete ciclos, las gotas de agua en la superficie superhidrofóbica del SS alcanzaron un ángulo de aproximadamente 150,5°, y el adsorbente superhidrofóbico resultante separó con éxito los diversos tipos de aceites con una eficiencia del 95 %. Qiang et al. informaron sobre la fabricación de compuestos de esponja de poliuretano (PU) recubiertos con nanocintas de óxido de grafeno reducidas funcionalizadas con silano (GONR) a través de un método fácil de recubrimiento por inmersión. El compuesto superhidrofóbico poroso producido tiene buena selectividad y capacidad de separación de aceite/agua con alta eficiencia (> 97% después de 10 ciclos) y ángulos de contacto con el agua superiores a 150°34. Khodaei et al. desarrolló aluminio superhidrofóbico con una estructura de superficie jerárquica nano/micro mediante grabado químico y decoración de nanopartículas con un revestimiento de nanocompuesto a base de silano (nanopartículas Al2O3 integradas TEOSGPTMS)35. Wang et al. demostró la fácil producción de textiles de algodón superhidrofóbicos y superoleofóbicos modificados con nanocables de polisiloxano para la separación de aceite y agua. Los nanocables de polisiloxano de baja energía superficial, además de la estructura jerárquica, dieron lugar a tejidos de algodón con gran superhidrofobicidad (WCAs 163°) y excelente estabilidad36.

En este trabajo, las partículas de carbonilhierro primero se hicieron reaccionar con tetraetoxisilano, y luego la superficie se alteró mediante FAS y HDMS para crear partículas adsorbentes reciclables y superhidrofóbicas/superoleófilas. La caracterización de las partículas de modificación de carbonil hierro con varios grupos silano se evaluó mediante FT-IR, XRD y VSM. Luego se completó el estudio WCA para evaluar cuantitativamente la superhidrofobicidad de las partículas. También se examinó la capacidad de sorción de partículas superhidrofóbicas para la separación de aceite/agua y la mezcla de emulsión en diversas circunstancias.

El etanol absoluto y el amoníaco (25-28 % en peso) se compraron a DR-MOJALALI Medicines Co., Ltd, y las partículas de carbonilhierro (CI) a BASF Company, Alemania. El tetraetoxisilano (TEOS, 99,9 %), hexametildisilazano (HMDS, 98 %) y 1H,1H,2H,2H-perfluorodeciltrietoxisilano (PFDTES o FAS, 97 %) se adquirieron de Sigma-Aldrich. Todos los reactivos químicos se utilizaron exactamente como se recibieron, sin purificación adicional.

En primer lugar, se añadieron 0,2 g de carbonilhierro a 40 ml de etanol que contenía 4 ml de solución de amoníaco. Posteriormente, se agregaron 0,2 mL de TEOS y se sonicaron en un baño de ultrasonidos durante 6 h. A continuación, la solución se lavó al vacío tres veces con etanol en el siguiente paso. Posteriormente pasó 24 h en un horno a 110 °C. Luego, las partículas de carbonil hierro se recubrieron con SiO2 (CI/SiO2).

En primer lugar, se mezclaron 60 ml de etanol que contenían 6 ml de una solución de amoníaco con 0,2 g de Cl/SiO2. Posteriormente, se agregaron 0,4 mL de FAS y se sonicó durante 8 h en un baño de ultrasonidos. A continuación, la solución se lavó al vacío tres veces con etanol en el siguiente paso. Posteriormente pasó 24 h en un horno a 110 °C. Después de este período de tiempo, las partículas de carbonil hierro recibieron un recubrimiento de SiO2-FAS, indicado por la notación CI/SiO2@FAS.

Primero, se mezclaron 0,2 g de CI/SiO2 con 100 mL de etanol y 8 mL de una solución de amoníaco. Después de eso, se añadió 1 ml de HMDS y la mezcla se sonicó durante 4 h en un baño de ultrasonidos. A continuación, la solución se lavó al vacío tres veces con etanol en el siguiente paso. Posteriormente pasó 24 h en un horno a 110 °C. Después de este tiempo, las partículas de carbonil hierro se recubrieron con SiO2-HMDS (CI/SiO2@HMDS).

Se utilizó espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier para examinar los grupos funcionales en la superficie de las partículas de carbonilo de hierro (FT-IR, THERMO, AVATAR). La estructura cristalina de las partículas de carbonil hierro modificadas con diferentes grupos silano se investigó mediante análisis de difracción de rayos X (XRD, Philips, PW1730). Las propiedades magnéticas de las partículas modificadas también se midieron usando un magnetómetro de muestra vibrante (VSM, Modelo No. 155, Magnet: Varian, V-7300). Además, el software Jikan CAG-20, Jikan Co. e Image J® 1.51i investigó el ángulo de contacto del aceite y el agua de las partículas alteradas.

El aceite y el agua se emulsionaron al 1% en peso en hexano. En este sentido, para crear una emulsión estable, se disolvió un gramo de aceite en 99 g de agua desionizada y se agitó durante 30 min. Se utilizó una sonda ultrasónica (100 kW) durante 10 min para minimizar el tamaño de las gotas de aceite en el agua. Cabe señalar que la agitación durante períodos más largos provocó la formación de gotas de tamaño nanométrico. Como resultado, la emulsión de agua y aceite se hizo agregando varias concentraciones de aceite a la superficie del agua, que van de 0,1 a 1 ml. Además, se agregó un ml de aceite a la superficie del agua para crear la mezcla de aceite y agua. El mismo método se utilizó para hacer mezclas y emulsiones de agua con queroseno, aceite de silicona y gasolina.

La eficacia y la capacidad de los materiales modificados se demostraron utilizando su capacidad de sorción. La siguiente ecuación (Ec. (1)) se puede utilizar para determinar la capacidad de sorción de agua o aceite a partir de la medición del peso del líquido que se adsorbe debido a la colocación o inmersión:

Mientras que me y m0 son el peso del material antes y después de la sorción del líquido, respectivamente, y Q (g/g) es la cantidad de capacidad de sorción para varias mezclas y emulsiones, se estimó la capacidad de sorción de la separación de aceite.

Se ha investigado el reciclaje magnético de partículas de carbonil hierro modificadas. Después de la adsorción del aceite, las partículas magnéticas superhidrofóbicas se recogen, se tratan con cloroformo y etanol y se secan durante 12 horas a 60 °C. Estas partículas se emplearán posteriormente en la técnica de sorción de aceite que sigue. La reutilización de partículas magnéticas hidrofóbicas se investigó durante diez ciclos.

El mecanismo de reacción de diferentes agentes de silano en las partículas de carbonil hierro se muestra en la figura 1. El TEOS se hidrolizó en presencia de etanol y agua, y Si–OR + H2O se convirtió en Si–OH + ROH. Luego, se creó la red de sílice (Si–O–Si) a través de una reacción de condensación en la superficie de las partículas de carbonilo de hierro según la Fig. 1a. Luego se formó FAS en la superficie de carbonil hierro-SiO2 a través de un proceso de hidrólisis y condensación (Fig. 1b). De manera similar, como se puede ver en la Fig. 1c, el HDMS se hidrolizó y condensó en la superficie de carbonil hierro-SiO2. Además, debido a la sensibilidad de las tasas de conversión a la presencia de ácidos y bases, la solución de amoníaco se empleó como catalizador para todos los procesos1,2,37,38,39,40.

Mecanismo de reacción de carbonil hierro con (a) SiO2, (b) SiO2@FAS y (c) SiO2@HDMS.

Los grupos funcionales se han examinado mediante análisis FT-IR para confirmar que las partículas de carbonilo de hierro reaccionan con varios grupos silano. La Figura 2 muestra picos relacionados con diferentes grupos funcionales de SI, FAS y HDMS en la superficie de partículas de carbonilo de hierro. Los espectros de partículas de CI modificadas con SiO2, FAS y HDMS mostraron patrones típicos de los materiales de siloxano. Los picos de varios grupos de silano, incluidos Si–O–C, Si–O–Si y Si–O–C, se asignaron a un rango de 1000 a 2000 cm−138,41. En la curva FT-IR, el pico relativo a Si-O-Fe se dio a 500 cm-1. Además, a 845 y 1255 cm−1 se encontraron señales FT-IR ligadas con Si–C37. La banda ancha de unos 3500 cm−1 muestra el estiramiento de varios grupos OH; este pico se debilitó al agregar HDMS y FAS a la superficie de CI/SiO2, lo que indica que los grupos OH habían sido reemplazados por bandas de silano40,42,43,44.

FTIR de carbonil hierro y partículas hidrofóbicas modificadas con SiO2, SiO2@FAS y SiO2@HDMS.

El análisis XRD se utilizó para investigar la oxidación o los cambios en la estructura cristalina que se producen durante la síntesis. El patrón XRD para partículas de carbonilo de hierro modificadas con SiO2, SiO2@FAS y SiO2@HDMS se muestra en la Fig. 3. Luego, el patrón XRD resultante reveló el 2θ de 44° dado a (110), y 66° a ( 211) conectado a los picos de Fe en la muestra sintetizada. No se ha visto ningún pico adicional para ninguna alteración distinta de estos dos picos, lo que demuestra que la reacción de oxidación no se realizó durante todo el proceso de síntesis1.

XRD de carbonil hierro y partículas hidrofóbicas modificadas con SiO2, SiO2@FAS y SiO2@HDMS.

Las características magnéticas de las partículas de carbonilo de hierro con varios agentes de acoplamiento de silano se estudiaron utilizando un VSM y los resultados se muestran en la Fig. 4. En el campo de 10 kOe, se demostró que las partículas de carbonilo tenían una fuerte permeabilidad magnética con una saturación magnética de 210, 188 , 167 y 166 emu/g para CI desnudo, CI/SiO2, CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HDMS, respectivamente. Las partículas modificadas todavía exhiben un magnetismo de alta saturación a pesar de tener una cubierta no magnética. Además, la curva de magnetización muestra solo una pequeña cantidad de histéresis magnética, así como coercitividad (Hc) y magnetismo remanente (Mr) para partículas de carbonil hierro modificadas. Otras propiedades magnéticas de las muestras, Hc y Mr, se resumen en la Tabla 1.

Curva VSM para partículas hidrófobas modificadas (a) CI desnudo, (b) SiO2, (c) SiO2@FAS y (d) SiO2@HDMS.

Uno de los factores más cruciales a considerar al evaluar las características de humectabilidad de un material es el ángulo de contacto con el agua (WCA) o el ángulo de contacto con el aceite (OCA). Por lo tanto, se utilizó el método de gotas de agua sésil con un volumen de 5 µL para poder evaluar la humectabilidad de las partículas (CI, CI/SiO2, CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HMDS). Las partículas de polvo se compactaron entre dos sustratos de vidrio para formar una capa nivelada. Utilizando una jeringa de microlitros Hamilton, se pusieron gotas de líquido verticales sobre las partículas acumuladas. Se realizaron cinco mediciones de ángulos de contacto en varios lugares, y los resultados se proporcionaron de acuerdo con su valor medio. Se utilizó el software Image J® 1.51i para procesar todas las fotografías de gotas de líquido45.

La figura 5 muestra las fotografías digitales y la variación WCA de las gotitas de líquido sobre las partículas apiladas. Según los resultados, los valores de WCA para CI, CI/SiO2, CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HMDS fueron 5,4° ± 1,3°, 6,4° ± 1,4°, 151,9° ± 2,1° y 170,1° ± 1,1°, respectivamente. Además, es fundamental señalar que los OCA de una variedad de aceites resultaron ser equivalentes a 0°. Los hallazgos demuestran que tanto CI como CI/SiO2 poseen superhidrofilia y superoleofilia. Por ello, el uso de estos materiales en procesos de separación de aceite y agua no puede considerarse una opción viable. Por otro lado, CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HMDS exhibieron características de propiedades de superhidrofobicidad y superoleofilicidad. La producción de un sustrato altamente repelente al agua depende específicamente de dos factores principales: alta rugosidad superficial y el uso de material con baja energía superficial. Los diferentes procesos de hidrólisis y condensación que tienen lugar en la superficie de la muestra hacen que los materiales se comporten de forma diferente en cuanto a su propensión a adsorber agua46,47.

(a) Las fotos digitales y (b) la variación WCA de las gotas de agua sobre las partículas en capas.

Debido a sus cualidades únicas de superhidrofobicidad/superoleofilia, CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HMDS pueden considerarse adsorbentes muy efectivos en mezclas de aceite/agua y separaciones de emulsiones. Además, las respuestas ferromagnéticas de las partículas pueden contribuir a los procesos de recolección y reutilización. Para la separación de aceites de la mezcla de aceite/agua en el sistema por lotes, se usaron las partículas modificadas preparadas. Inicialmente, se rociaron 300 mg de aceite teñido de rojo sobre la superficie del agua. Posteriormente, las partículas magnéticas se dejaron sobre el derrame de petróleo durante 5 min y se les dio tiempo. La mancha de aceite resbaladizo comenzó a reducirse en ese punto.

Con el tiempo, se descubrió que los polvos superhidrofóbicos/superoleofílicos capturan y cubren intuitivamente las gotas de aceite antes de hundirse en el agua. Después de recolectar la combinación de partículas de aceite con un imán, se calculó la masa final de la canica. La capacidad de sorción medida para los aceites, incluidos el hexano, el queroseno, el aceite de silicona y la gasolina, estuvo en el rango de 1,7 a 3,1 g/g y de 2,5 a 4,3 g/g para CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HMDS. respectivamente (Fig. 6), que pueden competir con otros absorbentes usados (Tabla 2). Los resultados mostraron que la capacidad de sorción más alta y más baja correspondió al hexano y al aceite de silicona, respectivamente.

La capacidad de sorción de CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HMDS.

En la última década, se han realizado numerosos estudios para abordar la separación de emulsiones de aceite/agua. Las espumas, las mallas metálicas y los materiales textiles son algunas de las tecnologías que se pueden utilizar para separar el aceite de las emulsiones de aceite en agua; sin embargo, todos estos enfoques tienen sus inconvenientes59,60,61,62. En este contexto, el uso de partículas que son tanto superhidrofóbicas como superoleófilas puede ser una estrategia eficaz para separar emulsiones de aceite y agua. En la investigación actual, se crearon varias emulsiones de aceite/agua al 1% p/p. Estas emulsiones incluían hexano, queroseno, aceite de silicona y gasolina. Las distribuciones de tamaño de las gotas de aceite en diferentes emulsiones de agua/aceite sin surfactantes se muestran en la Fig. 7. El hexano, el queroseno, el aceite de silicona y la gasolina tenían un tamaño promedio de gota de 6,54 ± 1,78, 8,32 ± 1,54, 13,49 ± 6,94, y 6,12 ± 2,40 µm, respectivamente, cuando se distribuyeron homogéneamente en el agua. Es importante resaltar que las imágenes obtenidas por microscopía óptica demostraron que las emulsiones mantuvieron su estabilidad durante un día. Se añadieron partículas con un rango de masa de 5 a 250 mg directamente a 3 mL de emulsiones y se agitaron vigorosamente durante 10 min. La solución acuosa superior se eliminó después de que las partículas oleosas se separaran del agua usando un campo magnético para evaluar el perfil del agua. En la Fig. 8a se ilustra una ilustración esquemática de la separación de pequeñas gotas de aceite de la emulsión de aceite en agua. Inicialmente, una dosis baja de partículas superhidrofóbicas/superoleófilas no puede separar totalmente las gotas de aceite y la solución final parece turbia. Al aumentar la masa de sorbente en el sistema, la solución final se vuelve transparente, la cual es diferente para cada sorbente y aceite (Fig. 8b). Por ejemplo, añadiendo 50 mg de partículas de CI/SiO2@FAS a una emulsión de hexano/agua al 1% p/p, la solución de filtrado final resultante era semitransparente. Por el contrario, al agregar la misma masa de CI/SiO2@HDMS, la solución final puede volverse transparente. La masa más baja de partículas para separar una emulsión de hexano/agua al 1% p/p fue de 50 y 200 mg para CI/SiO2@HDMS y CI/SiO2@HDMS, respectivamente. Como resultado, los materiales en polvo como las partículas de CI/SiO2@HDMS y CI/SiO2@HDMS tienen la capacidad de entrar en contacto directamente con las gotas de emulsión, lo que puede sugerirse como sistemas muy efectivos para separar las gotas de aceite de las emulsiones de aceite en agua. .

Distribuciones del tamaño de las gotitas de aceite de varias emulsiones de agua/aceite libres de surfactantes; (a) hexano, (b) aceite de silicona, (c) gasolina y (d) queroseno.

(a) Ilustración esquemática de la separación de pequeñas gotas de aceite de la emulsión de aceite en agua, (b) el efecto de la masa absorbente en la turbidez o transparencia de la solución de filtrado final de la emulsión de hexano en agua.

Las capacidades de sorción de partículas CI/SiO2@HDMS superhidrofóbicas/superoleófilas reciclables para aceites se presentan en la Fig. 9a, lo que indica que la capacidad de sorción no ha cambiado significativamente incluso después de 10 ciclos de separación. Por ejemplo, la capacidad de sorción del hexano reveló que después de diez ciclos, la capacidad de sorción original se redujo en solo 0,8 g/g (4,3 a 3,5 g/g), que es una cantidad relativamente pequeña. El cambio en los WCA es responsable de las capacidades de sorción fluctuantes, como se ha demostrado. La Figura 9b muestra una tendencia ligeramente decreciente en los ángulos de contacto con el agua (WCA) de las gotitas sobre las partículas regeneradas, lo que es consistente con los datos de capacidad de sorción. Como se muestra en la Fig. 9c, las partículas preparadas pueden satisfacer las necesidades prácticas en entornos severos y duros, ya que su capacidad de sorción de aceites permanece aproximadamente constante incluso en entornos ácidos, alcalinos y con alto contenido de sal. El comportamiento de humectación y la estabilidad química bajo una amplia gama de circunstancias es el principal problema con las superficies superhidrofóbicas/superoleófilas (solución ácida, alcalina y salina). También se usaron variaciones de WCA para examinar los efectos de variar el pH de las partículas superhidrofóbicas/superoleófilas preparadas durante una semana. La buena hidrofobicidad está indicada por valores WCA de más de 145°, como se ve en la Fig. 9d. Se ha demostrado que las muestras superhidrofóbicas tienen una durabilidad química y una estabilidad física excepcionales en entornos constantes o de flujo, lo que las convierte en un candidato principal para la tecnología de separación de agua y aceite.

(a) Reciclabilidad de CI/SiO2@HDMS en diferentes ciclos de regeneración, (b) variaciones del ángulo de contacto del agua en diferentes ciclos, (c) el rendimiento de CI/SiO2@HDMS para aceites de sorción en diversas circunstancias, y (d) agua variaciones del ángulo de contacto por inmersión a diferentes valores de pH durante una semana.

En conclusión, las partículas superparamagnéticas superhidrofóbicas/superoleófilas, así como las partículas de carbonil hierro/SiO2 reutilizables y duraderas se prepararon a través de una ruta de injerto simple. Se utilizaron agentes de acoplamiento de silano, a saber, 1H,1H,2H,2H-perfluorodeciltrietoxisilano (FAS) y hexametildisilazano (HDMS), para ilustrar el efecto de modificar la humectabilidad de la superficie de las muestras resultantes. El mecanismo de reacción de diferentes agentes de silano en las partículas de carbonil hierro ha demostrado que FAS y HDMS se formaron en la superficie de carbonil hierro-SiO2 a través de un proceso de hidrólisis y condensación mediante la creación de una red de sílice. CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HMDS exhibieron propiedades ferromagnéticas con saturación magnética de 167 y 166 emu/g para CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HDMS, respectivamente. Además, las capacidades de sorción medidas de CI/SiO2@FAS y CI/SiO2@HMDS estaban en los rangos de 1,7–3,1 g/g y 2,5–4,3 g/g para diferentes tipos de aceites, que pueden competir con otros absorbentes usados. Además, las capacidades de sorción de las partículas superhidrofóbicas/superoleófilas reciclables indicaron una buena reciclabilidad y reutilización incluso después de diez ciclos de separación. Además, las muestras superhidrofóbicas tienen una excelente durabilidad química y estabilidad física en circunstancias ácidas, alcalinas y de alta salinidad, lo que las convierte en un candidato principal para la tecnología de separación de aceite/agua. En consecuencia, las partículas de CI/SiO2@HDMS y CI/SiO2@HDMS tienen la capacidad de entrar en contacto directamente con las gotas de emulsión, lo que puede sugerirse como sistemas muy efectivos para separar las gotas de aceite de las emulsiones de aceite en agua.

Todos los datos generados o analizados para la parte experimental de este estudio se incluyen en este artículo publicado. Los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente, [Yahya Rabbani], previa solicitud razonable. Además, todos los demás datos que respaldan las gráficas dentro de este documento y otros hallazgos de este estudio están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Descargar referencias

Escuela de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad de Teherán (UT), Teherán, Irán

Yahia Rabbani

Escuela de Ingeniería Química, Petróleo y Gas, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán (IUST), Teherán, Irán

Hadi Shayesteh

Escuela de Ingeniería Mecánica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Teherán (UT), Teherán, Irán

Nima Haghshenas

Departamento de Nanotecnología, Escuela de Tecnologías Avanzadas, Universidad de Ciencia y Tecnología de Irán (IUST), Teherán, Irán

Mobin Safarzadeh Khosrowshahi

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YR: metodología, conceptualización, trabajo experimental, metodología, software, redacción del borrador original. HS: conceptualización, metodología, software, redacción del borrador original. NH: trabajo experimental, metodología. MSK: software, redacción, revisión y edición.

Correspondencia a Yahya Rabbani o Hadi Shayesteh.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Rabbani, Y., Shayesteh, H., Haghshenas, N. et al. Investigación del injerto de agentes de acoplamiento de silano sobre la superhidrofobicidad de las partículas de carbonil hierro/SiO2 para una mezcla eficiente de aceite/agua y una separación de emulsión. Informe científico 13, 788 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28131-z

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Recibido: 27 de octubre de 2022

Aceptado: 13 de enero de 2023

Publicado: 16 enero 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-28131-z

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