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

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 du greffage d'agents de couplage silane sur des particules de fer carbonyle (CI)/SiO2 pour un mélange huile/eau efficace et une séparation des émulsions. Les particules de CI ont d'abord réagi avec du tétraéthoxysilane (TEOS) pour créer un composant magnétique. Ensuite, les particules de 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) d'une variété d'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 % en poids 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. De plus, la réutilisabilité 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 d'hydrocarbures 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 les 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 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 l'on voit 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 treillis et de matériaux poreux pour les séparations d'huile et d'eau15. Ces matériaux souffrent de certains inconvénients, notamment des processus de synthèse chronophages, un coût élevé 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 est d'une grande importance pour l'échelle commerciale des projets de séparation9. La majorité des enquêtes menées sur les questions d'hydrophobicité ont concerné les méthodes et procédés 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 avec 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 de colloïdes23, 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 hydroxyle à 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 surface et la faible énergie de surface des matériaux25. Les matériaux organiques à superhydrophobicité se présentent généralement sous la 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 enduits sur les mailles28. L'acier inoxydable (SS) et le cuivre, les substrats de treillis métalliques les plus courants, peuvent être modifiés pour devenir des adsorbants superhydrophobes15. Les surfaces de micro et nano rugosité hiérarchiques 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-perfluorooctyldiméthylchlorosilane (PFODMCS), le diméthyldichlorosilane (DMDCS) et le 1H, 1H, 2H, 2Hperfluorooctyltrichlorosilane (PFOTCS) peuvent facilement conférer aux surfaces la propriété superhydrophobe14,32.

Matin et al. ont rapporté le revêtement par trempage du séparateur SS en utilisant différentes concentrations de matériaux de silane, perfluo-rooctyltrichlorosilane33. Ils ont démontré qu'après sept cycles, les gouttelettes d'eau sur la surface superhydrophobe du SS atteignaient un angle d'environ 150,5°, et l'adsorbant superhydrophobe résultant séparait avec succès les différents types d'huiles avec une efficacité de 95 %. Qiang et al. ont rapporté la fabrication de composites spongieux de polyuréthane (PU) revêtus de nanorubans d'oxyde de graphène réduits fonctionnalisés au silane (GONR) via une méthode de revêtement par immersion facile. Le composite superhydrophobe poreux produit présente une bonne sélectivité et capacité de séparation huile/eau avec une efficacité élevée (> 97 % après 10 cycles) et des angles de contact avec l'eau supérieurs à 150°34. Khodaei et al. ont développé de l'aluminium superhydrophobe avec une structure de surface nano/micro hiérarchisée par gravure chimique et décoration de nanoparticules avec un revêtement nanocomposite à base de silane (nanoparticules Al2O3 intégrées TEOSGPTMS)35. Wang et al. ont démontré la facilité de production de textiles de coton superhydrophobes et superoléophobes modifiés avec des nanofils de polysiloxane pour la séparation huile/eau. Les nanofils de polysiloxane à faible énergie de surface, outre la structure hiérarchique, ont conduit aux tissus de coton avec une grande superhydrophobie (WCAs 163°) et une excellente stabilité36.

Dans ce travail, des particules de fer carbonyle ont d'abord été mises à réagir avec du tétraéthoxysilane, puis la surface a été modifiée par FAS et HDMS afin de créer des particules adsorbantes superhydrophobes/superoléophiles et recyclables. La caractérisation des particules de modification de fer carbonyle avec divers groupes silane a été évaluée en utilisant FT-IR, XRD et VSM. L'étude WCA a ensuite été complétée pour évaluer quantitativement la superhydrophobicité des particules. La capacité de sorption des particules superhydrophobes a également été examinée pour la séparation huile/eau et le mélange d'émulsion dans diverses circonstances.

L'éthanol absolu et l'ammoniac (25 à 28 % en poids) ont été achetés auprès de DR-MOJALALI Medicines Co., Ltd, et les particules de fer carbonyle (CI) auprès de la société BASF, en Allemagne. Le tétraéthoxysilane (TEOS, 99,9 %), l'hexaméthyldisilazane (HMDS, 98 %) et le 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodécyltriéthoxysilane (PFDTES ou FAS, 97 %) ont été achetés chez Sigma-Aldrich. Tous les réactifs chimiques ont été utilisés exactement tels qu'ils ont été reçus, sans autre purification.

Tout d'abord, 0,2 g de fer carbonyle ont été ajoutés dans 40 ml d'éthanol contenant 4 ml de solution d'ammoniac. Par la suite, 0,2 ml de TEOS a été ajouté et soniqué dans un bain de sonication pendant 6 h. La solution a ensuite été lavée trois fois sous vide avec de l'éthanol dans l'étape suivante. Après cela, il a passé 24 h dans une étuve à 110 °C. Ensuite, des particules de fer carbonyle ont été recouvertes de SiO2(CI/SiO2).

Tout d'abord, 60 ml d'éthanol contenant 6 ml d'une solution d'ammoniaque ont été mélangés avec 0,2 g de CI/SiO2. Après cela, 0,4 ml de FAS a été ajouté et il a été soniqué pendant 8 h dans un bain de sonication. La solution a ensuite été lavée trois fois sous vide avec de l'éthanol dans l'étape suivante. Après cela, il a passé 24 h dans une étuve à 110 °C. Après cette période de temps, les particules de fer carbonyle ont reçu un revêtement de SiO2-FAS, désigné par la notation CI/SiO2@FAS.

Tout d'abord, 0,2 g de CI/SiO2 ont été mélangés avec 100 ml d'éthanol et 8 ml d'une solution d'ammoniaque. Après cela, 1 ml de HMDS a été ajouté et le mélange a été soniqué pendant 4 h dans un bain de sonication. La solution a ensuite été lavée trois fois sous vide avec de l'éthanol dans l'étape suivante. Après cela, il a passé 24 h dans une étuve à 110 °C. Après ce temps, les particules de fer carbonyle ont été recouvertes de SiO2-HMDS(CI/SiO2@HMDS).

La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier a été utilisée pour examiner les groupes fonctionnels à la surface des particules de fer carbonyle (FT-IR, THERMO, AVATAR). La structure cristalline des particules de fer carbonyle modifiées avec différents groupes silane a été étudiée par analyse de la diffraction des rayons X (XRD, Philips, PW1730). Les propriétés magnétiques des particules modifiées ont également été mesurées à l'aide d'un magnétomètre à échantillon vibrant (VSM, modèle n° 155, aimant : Varian, V-7300). De plus, Jikan CAG-20, Jikan Co. et le logiciel Image J® 1.51i ont étudié l'angle de contact de l'huile et de l'eau des particules altérées.

L'huile et l'eau sont émulsionnées à 1 % en poids dans l'hexane. À cet égard, pour créer une émulsion stable, un gramme d'huile a été dissous dans 99 g d'eau déminéralisée et tourbillonné pendant 30 min. Une sonde à ultrasons (100 kW) a été utilisée pendant 10 min pour minimiser la taille des gouttelettes d'huile dans l'eau. Il convient de noter que l'agitation pendant des périodes plus longues a provoqué la formation de gouttelettes de taille nanométrique. En conséquence, l'émulsion huile-eau a été réalisée en ajoutant diverses concentrations d'huile à la surface de l'eau, allant de 0,1 à 1 ml. De plus, un ml d'huile a été ajouté à la surface de l'eau pour créer le mélange huile-eau. La même méthode a été utilisée pour faire des mélanges et des émulsions d'eau avec du kérosène, de l'huile de silicone et de l'essence.

L'efficacité et la capacité des matériaux modifiés ont été démontrées en utilisant leur capacité de sorption. L'équation suivante (équation (1)) peut être utilisée pour déterminer la capacité de sorption d'eau ou d'huile à partir de la mesure du poids du liquide qui est adsorbé en raison du placement ou de l'immersion :

Alors que me et m0 sont respectivement le poids du matériau avant et après la sorption du liquide, et que Q (g/g) est la quantité de capacité de sorption pour divers mélanges et émulsions, la capacité de sorption de la séparation d'huile a été estimée.

Le recyclage magnétique des particules de fer carbonyle modifié a été étudié. Après adsorption d'huile, les particules magnétiques superhydrophobes sont collectées, traitées avec du chloroforme et de l'éthanol et séchées pendant 12 h à 60 °C. Ces particules seront ensuite employées dans la technique de sorption d'huile qui suit. La réutilisabilité des particules magnétiques hydrophobes a été étudiée sur dix cycles.

Le mécanisme de réaction de différents agents silane sur les particules de fer carbonyle a été illustré à la Fig. 1. Le TEOS a été hydrolysé en présence d'éthanol et d'eau, et Si – OR + H2O a été converti en Si – OH + ROH. Ensuite, le réseau de silice (Si – O – Si) a été créé par une réaction de condensation à la surface de particules de fer carbonyle selon la figure 1a. Le FAS s'est ensuite formé à la surface du carbonyle fer-SiO2 via un processus d'hydrolyse et de condensation (Fig. 1b). De même, comme on peut le voir sur la figure 1c, le HDMS a été hydrolysé et condensé à la surface du carbonyle fer-SiO2. De plus, en raison de la sensibilité des taux de conversion à la présence d'acides et de bases, une solution d'ammoniac a été utilisée comme catalyseur pour tous les procédés1,2,37,38,39,40.

Mécanisme de la réaction du fer carbonyle avec (a) SiO2, (b) SiO2@FAS et (c) SiO2@HDMS.

Les groupes fonctionnels ont été examinés à l'aide d'une analyse FT-IR pour confirmer que les particules de fer carbonyle réagissent avec divers groupes silane. La figure 2 montre des pics liés à différents groupes fonctionnels de SI, FAS et HDMS à la surface de particules de fer carbonyle. Les spectres des particules CI modifiées avec SiO2, FAS et HDMS ont montré des modèles typiques des matériaux siloxane. Les pics de plusieurs groupes silane, dont Si–O–C, Si–O–Si et Si–O–C, ont été attribués à une plage de 1 000 à 2 000 cm−138,41. Sur la courbe FT-IR, le pic relatif à Si–O–Fe a été donné à 500 cm−1. De plus, à 845 et 1255 cm−1, des signaux FT-IR liés au Si–C ont été trouvés37. La bande large d'environ 3500 cm-1 montre l'étirement de plusieurs groupements OH ; ce pic a été affaibli en ajoutant du HDMS et du FAS à la surface de CI/SiO2, indiquant que les groupes OH avaient été remplacés par des bandes de silane40,42,43,44.

FTIR de fer carbonyle et de particules hydrophobes modifiées avec SiO2, SiO2@FAS et SiO2@HDMS.

L'analyse XRD a été utilisée pour étudier l'oxydation ou les changements dans la structure cristalline qui se produisent pendant la synthèse. Le diagramme XRD pour les particules de fer carbonyle modifiées avec SiO2, SiO2@FAS et SiO2@HDMS est illustré à la Fig. 3. Ensuite, le diagramme XRD résultant a révélé le 2θ de 44° donné à (110) et 66° à (211) connecté aux pics de Fe dans l'échantillon synthétisé. Aucun pic supplémentaire n'a été observé pour d'éventuelles altérations autres que ces deux pics, prouvant que la réaction d'oxydation n'a pas été réalisée tout au long du processus de synthèse1.

XRD de fer carbonyle et de particules hydrophobes modifiées avec SiO2, SiO2@FAS et SiO2@HDMS.

Les caractéristiques magnétiques des particules de fer carbonyle avec divers agents de couplage au silane ont été étudiées à l'aide d'un VSM et les résultats sont illustrés à la Fig. 4. Dans le domaine de 10 kOe, il a été montré que les particules de carbonyle avaient une forte perméabilité magnétique avec une saturation magnétique de 210, 188, 167 et 166 emu/g pour CI nu, CI/SiO2, CI/SiO2@FAS et CI/SiO2@HDMS, respectivement. Les particules modifiées présentent toujours un magnétisme à saturation élevée malgré un revêtement non magnétique. De plus, la courbe d'aimantation ne montre qu'une petite quantité d'hystérésis magnétique ainsi que la coercivité (Hc) et le magnétisme rémanent (Mr) pour les particules de fer carbonyle modifiées. Les autres propriétés magnétiques des échantillons, Hc et Mr, sont résumées dans le tableau 1.

Courbe VSM pour les particules hydrophobes modifiées (a) CI nu, (b) SiO2, (c) SiO2@FAS et (d) SiO2@HDMS.

L'angle de contact avec l'eau (WCA) ou l'angle de contact avec l'huile (OCA) est l'un des facteurs les plus cruciaux à prendre en compte lors de l'évaluation des caractéristiques de mouillabilité d'un matériau. Par conséquent, la méthode des gouttelettes d'eau sessiles avec un volume de 5 µL a été utilisée afin que la mouillabilité des particules (CI, CI/SiO2, CI/SiO2@FAS et CI/SiO2@HMDS) puisse être évaluée. Les particules de poudre ont été compactées entre deux substrats de verre pour former une couche plane. En utilisant une seringue microlitre Hamilton, des gouttelettes de liquide verticales ont été placées sur les particules accumulées. Cinq mesures d'angle de contact ont été effectuées à divers endroits, et les résultats ont été fournis en fonction de leur valeur moyenne. Le logiciel Image J® 1.51i a été utilisé pour traiter toutes les photographies de gouttelettes liquides45.

La figure 5 illustre les photographies numériques et la variation WCA des gouttelettes de liquide sur les particules empilées. Selon les résultats, les valeurs WCA pour 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, il est essentiel de souligner que les OCA d'une variété d'huiles se sont avérées équivalentes à 0°. Les résultats démontrent que CI et CI/SiO2 possèdent une superhydrophilicité et une superoléophilie. Pour cette raison, l'utilisation de ces matériaux dans des processus qui séparent l'huile et l'eau ne peut pas être considérée comme une option viable. D'autre part, CI/SiO2@FAS et CI/SiO2@HMDS présentaient des propriétés de superhydrophobicité et de superoléophilie. La production d'un substrat hautement hydrofuge dépend spécifiquement de deux facteurs principaux : une rugosité de surface élevée et l'utilisation de matériaux à faible énergie de surface. Les différents processus d'hydrolyse et de condensation qui ont lieu à la surface de l'échantillon conduisent les matériaux à se comporter différemment en termes de propension à adsorber l'eau46,47.

(a) Les photos numériques et (b) la variation WCA des gouttelettes d'eau sur les particules stratifiées.

En raison de leurs qualités uniques de superhydrophobicité/superoléophilie, CI/SiO2@FAS et CI/SiO2@HMDS peuvent être considérés comme des adsorbants très efficaces dans les mélanges huile/eau et les séparations d'émulsions. De plus, les réponses ferromagnétiques des particules peuvent contribuer aux processus de collecte et de réutilisation. Pour la séparation des huiles du mélange huile/eau dans le système discontinu, les particules modifiées telles que préparées ont été utilisées. Initialement, 300 mg d'huile teintée en rouge ont été saupoudrés à la surface de l'eau. Par la suite, les particules magnétiques ont été laissées sur le déversement de pétrole pendant 5 minutes, et le temps a été donné. La nappe de nappe de pétrole a commencé à se réduire à ce moment-là.

Au fil du temps, il a été découvert que les poudres superhydrophobes/superoléophiles capturent et recouvrent intuitivement les gouttelettes d'huile avant de s'enfoncer dans l'eau. Après avoir collecté la combinaison de particules d'huile avec un aimant, la masse ultime du marbre a été calculée. La capacité de sorption mesurée pour les huiles, y compris l'hexane, le kérosène, l'huile de silicone et l'essence, se situait entre 1,7 et 3,1 g/g et entre 2,5 et 4,3 g/g pour CI/SiO2@FAS et CI/SiO2@HMDS, respectivement (Fig. 6), qui peuvent concurrencer d'autres absorbants utilisés (Tableau 2). Les résultats ont montré que la capacité de sorption la plus élevée et la plus faible appartenaient respectivement à l'hexane et à l'huile de silicone.

La capacité de sorption de CI/SiO2@FAS et CI/SiO2@HMDS.

Au cours de la dernière décennie, de nombreuses études ont été réalisées sur la séparation des émulsions huile/eau. Les mousses, les treillis métalliques et les tissus sont des technologies qui peuvent être utilisées pour séparer l'huile des émulsions d'huile dans l'eau; cependant, ces approches ont toutes leurs inconvénients59,60,61,62. Dans ce contexte, l'utilisation de particules à la fois superhydrophobes et superoléophiles peut être une stratégie efficace pour séparer les émulsions huile et eau. Dans l'enquête actuelle, un certain nombre d'émulsions huile/eau à 1 % p/p ont été créées. Ces émulsions comprenaient de l'hexane, du kérosène, de l'huile de silicone et de l'essence. Les distributions de taille des gouttelettes d'huile dans différentes émulsions huile/eau sans tensioactif ont été présentées à la Fig. 7. L'hexane, le kérosène, l'huile de silicone et l'essence avaient tous une taille moyenne de gouttelettes de 6,54 ± 1,78, 8,32 ± 1,54, 13,49 ± 6,94 et 6,12 ± 2,40 µm, respectivement, lorsqu'ils étaient répartis de manière homogène dans l'eau. Il est important de souligner que les images obtenues par microscopie optique ont démontré que les émulsions gardaient leur stabilité sur une journée. Des particules allant en masse de 5 à 250 mg ont été ajoutées directement à 3 mL d'émulsions et vigoureusement vortexées pendant 10 min. La solution aqueuse supérieure a été éliminée après que les particules huileuses ont été séparées de l'eau en utilisant un champ magnétique pour évaluer le profil de l'eau. Une illustration schématique de la séparation des minuscules gouttelettes d'huile de l'émulsion huile dans l'eau est illustrée sur la figure 8a. Initialement, une faible dose de particules superhydrophobes/superoléophiles ne peut pas séparer totalement les gouttelettes d'huile et la solution finale semble trouble. En augmentant la masse de sorbant dans le système, la solution finale devient transparente, ce qui est différent pour chaque sorbant et huile (Fig. 8b). Par exemple, en ajoutant 50 mg de particules de CI/SiO2@FAS à une émulsion d'hexane/eau à 1 % en poids/poids, la solution de filtrat finale résultante était semi-transparente. En revanche, en ajoutant la même masse de CI/SiO2@HDMS, la solution finale peut devenir transparente. La masse la plus faible de particules pour séparer une émulsion hexane/eau à 1 % en poids était de 50 et 200 mg pour CI/SiO2@HDMS et CI/SiO2@HDMS, respectivement. En conséquence, les matériaux pulvérulents tels que les particules CI/SiO2@HDMS et CI/SiO2@HDMS ont la capacité d'entrer en contact directement avec les gouttelettes d'émulsion, ce qui peut être suggéré comme système très efficace pour séparer les gouttelettes d'huile des émulsions huile-dans-eau.

Distributions de la taille des gouttelettes d'huile de diverses émulsions huile/eau sans tensioactifs ; (a) hexane, (b) huile de silicone, (c) essence et (d) kérosène.

(a) Illustration schématique de la séparation des minuscules gouttelettes d'huile de l'émulsion huile-dans-eau, (b) l'effet de la masse de sorbant sur la turbidité ou la transparence de la solution de filtrat final de l'émulsion hexane-dans-eau.

Les capacités de sorption des particules recyclables superhydrophobes/superoléophiles CI/SiO2@HDMS pour les huiles sont présentées sur la figure 9a, ce qui indique que la capacité de sorption n'a pas changé de manière significative même après 10 cycles de séparation. Par exemple, la capacité de sorption de l'hexane a révélé qu'après dix cycles, la capacité de sorption initiale était réduite de seulement 0,8 g/g (4,3 à 3,5 g/g), ce qui est une quantité relativement faible. Le déplacement des AOC est responsable des capacités de sorption fluctuantes, comme cela a été démontré. La figure 9b montre une légère tendance à la baisse des angles de contact avec l'eau (WCA) des gouttelettes sur les particules régénérées, ce qui est cohérent avec les données de capacité de sorption. Comme le montre la figure 9c, les particules telles que préparées peuvent répondre aux besoins pratiques dans des environnements sévères et durs, car leur capacité de sorption des huiles reste à peu près constante même dans des environnements acides, alcalins et hautement salins. Le comportement de mouillage et la stabilité chimique dans un large éventail de circonstances constituent le principal problème des surfaces superhydrophobes/superoléophiles (solution acide, alcaline et saline). Les variations de WCA ont également été utilisées pour examiner les effets de la variation du pH des particules superhydrophobes/superoléophiles préparées pendant une semaine. Une bonne hydrophobicité est indiquée par des valeurs WCA supérieures à 145°, comme le montre la figure 9d. Il a été démontré que les échantillons superhydrophobes ont une durabilité chimique et une stabilité physique exceptionnelles dans des environnements stables ou fluides, ce qui en fait un candidat de choix pour la technologie de séparation huile/eau.

(a) Recyclabilité du CI/SiO2@HDMS dans différents cycles de régénération, (b) variations de l'angle de contact avec l'eau dans différents cycles, (c) performances du CI/SiO2@HDMS pour les huiles de sorption dans diverses circonstances, et (d) variations de l'angle de contact avec l'eau pour une immersion à différentes valeurs de pH pendant une semaine.

En conclusion, les particules superparamagnétiques superhydrophobes/superoléophiles, ainsi que les particules de fer carbonyle/SiO2 réutilisables et durables ont été préparées par une simple voie de greffage. Des agents de couplage silane, à savoir le 1H, 1H, 2H, 2H-perfluorodécyltriéthoxysilane (FAS) et l'hexaméthyldisilazane (HDMS), ont été utilisés pour illustrer l'effet de modification de la mouillabilité de surface des échantillons résultants. Le mécanisme de réaction de différents agents silanes sur les particules de fer carbonyle a montré que le FAS et le HDMS se formaient à la surface du fer carbonyle-SiO2 via un processus d'hydrolyse et de condensation via la création d'un réseau de silice. CI/SiO2@FAS et CI/SiO2@HMDS présentaient des propriétés ferromagnétiques avec une saturation magnétique de 167 et 166 emu/g pour CI/SiO2@FAS et CI/SiO2@HDMS, respectivement. En outre, les capacités de sorption mesurées de CI/SiO2@FAS et CI/SiO2@HMDS se situaient entre 1,7 et 3,1 g/g et 2,5 et 4,3 g/g pour différents types d'huiles, qui peuvent concurrencer d'autres absorbants utilisés. De plus, les capacités de sorption des particules superhydrophobes/superoléophiles recyclables ont indiqué une bonne recyclabilité et réutilisation même après dix cycles de séparation. En outre, les échantillons superhydrophobes ont une durabilité chimique et une stabilité physique exceptionnelles dans des conditions acides, alcalines et hautement salines, ce qui en fait un candidat de choix pour la technologie de séparation huile/eau. Par conséquent, les particules CI/SiO2@HDMS et CI/SiO2@HDMS ont la capacité d'entrer en contact directement avec les gouttelettes d'émulsion, ce qui peut être suggéré comme système très efficace pour séparer les gouttelettes d'huile des émulsions huile dans l'eau.

Toutes les données générées ou analysées pour la partie expérimentale de cette étude sont incluses dans cet article publié. Les données à l'appui des conclusions de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant, [Yahya Rabbani], sur demande raisonnable. De plus, toutes les autres données qui appuient les tracés de cet article et les autres résultats de cette étude sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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École de génie chimique, Collège d'ingénierie, Université de Téhéran (UT), Téhéran, Iran

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École de génie chimique, pétrolier et gazier, Université iranienne des sciences et technologies (IUST), Téhéran, Iran

Hadi Shayesteh

École de génie mécanique, Collège d'ingénierie, Université de Téhéran (UT), Téhéran, Iran

Nima Haghshenas

Département de nanotechnologie, École des technologies avancées, Université iranienne des sciences et technologies (IUST), Téhéran, Iran

Mobin Safarzadeh Khosrowshahi

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YR : méthodologie, conceptualisation, travail expérimental, méthodologie, logiciel, rédaction du projet original. HS : conceptualisation, méthodologie, logiciel, rédaction du projet original. NH : travail expérimental, méthodologie. MSK : logiciel, rédaction—révision et édition.

Correspondance à Yahya Rabbani ou Hadi Shayesteh.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Rabbani, Y., Shayesteh, H., Haghshenas, N. et al. Étude du greffage d'agents de couplage silane sur la superhydrophobicité des particules de fer carbonyle/SiO2 pour un mélange huile/eau efficace et une séparation des émulsions. Sci Rep 13, 788 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-28131-z

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Reçu : 27 octobre 2022

Accepté : 13 janvier 2023

Publié: 16 janvier 2023

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

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