Design and construction of CuS functionalized superhydrophobic cellulose paper with effective oil/water separation, and photothermally boosted antimicrobial and anti-/deicing performances

ملخص تقني: تصميم وتصنيع ورق السليلوز فائق الكره للماء والمُعالج بكبريتيد النحاس (CuS)

بيان المشكلة
يتناول هذا البحث التهديدات البيئية المتزايدة الناجمة عن التسربات النفطية المتكررة والتصريف غير المنضبط للمياه العادمة الزيتية، والتي تعرض الأنظمة البيئية وصحة الإنسان للخطر. ورغم وجود طرق معالجة تقليدية (مثل القشط، والمعالجة الحيوية)، إلا أنها غالباً ما تعاني من تعقيد تشغيلي، واحتياجات عالية للطاقة، ومحدودية في القدرة على التوسع. ومع أن الأسطح فائقة الكره للماء (SHSs) تقدم بديلاً واعداً لفصل الزيت عن الماء، إلا أن تطبيقها العملي غالباً ما يعوقه عدم الاستقرار الميكانيكي الكافي، وتكاليف التصنيع المرتفعة، وميل الجسيمات النانوية الوظيفية (مثل العوامل الكهروحرارية) إلى التقشر عن الركائز. علاوة على ذلك، تفتقر المواد الموجودة غالباً إلى الوظائف المتكاملة مثل النشاط المضاد للميكروبات المدفوع بالحرارة الضوئية، والقدرات المضادة للتجمد وإزالة الجليد، وهي أمور حاسمة للتشغيل في البيئات القاسية ذات درجات الحرارة المنخفضة.

المنهجية
لمواجهة هذه التحديات، صمم المؤلفون وصنعوا ورق سليلوز (CP) متعدد الوظائف وفائق الكره للماء، مُعالج بكبريتيد النحاس (CuS). تضمنت عملية التصنيع استراتيجية تعديل متعددة الخطوات:

1. تحضير الركيزة: استُخدم ورق السليلوز التجاري (CP) كقاعدة صديقة للبيئة ومتجددة.
2. طلاء البوليدوبامين (PDA): لحل مشكلة ضعف التلامس البيني بين كبريتيد النحاس والسليلوز، تم تطبيق طلاء من البوليدوبامين عبر البلمرة التأكسدية التلقائية للدوبامين. وقد عمل هذا الطبقة كمادة لاصقة قوية مستوحاة من بروتينات بلح البحر.
3. ترسيب كبريتيد النحاس (CuS): تم تصنيع جسيمات كبريتيد النحاس النانوية عبر طريقة هيدروحرارية، ومن ثم طلاؤها موضعياً على الورق المعدل بالبوليدوبامين. وقد سهلت طبقة البوليدوبامين الالتصاق القوي بين جسيمات كبريتيد النحاس وألياف السليلوز.
4. التعديل لزياً الكره للماء: غُمر المركب في محلول أوكتاديسيل أمين (ODA). وقد أدت السلاسل الهيدروكربونية الطويلة لـ ODA إلى خفض طاقة السطح، مما أتم عملية الانتقال إلى حالة فائقة الكره للماء.

تم توصيف المادة الناتجة، والتي سُميت CP/PDA/CuS/ODA، باستخدام تقنيات SEM وXRD وFTIR وقياسات زاوية التلامس. كما تم تقييم أدائها من خلال اختبارات فصل الزيت/الماء، وتقييمات المتانة (الميكانيكية، والكيميائية، والحرارية، والأشعة فوق البنفسجية)، واختبارات مقاومة التلوث/التنظيف الذاتي، وتقييمات الأداء الكهروحراري (بما في ذلك النشاط المضاد للميكروبات والقدرات المضادة للتجمد وإزالة الجليد).

المساهمات والنتائج الرئيسية

• الكره الشديد للماء والكره الشديد للزيت: أظهر الورق المعدل زاوية تلامس مائية (WCA) بلغت 156.4 درجة، وزاوية تلامس زيت (OCA) تقترب من الصفر. ويُعزى هذا التبلل إلى التأثير التآزري للخشونة الميكروية/النانوية الهرمية التي توفرها عناقيد PDA/CuS وطاقة السطح المنخفضة لطلاء ODA.
• فصل الزيت/الماء: أظهرت المادة قدرة فعالة على الفصل المستمر بفعل الجاذبية لمختلف خلائط الزيت/الماء (بما في ذلك السيكلوهكسان، وإيثر البترول، والن-هكسان، وثنائي كلورو ميثان، والكلوروفورم، ورباعي كلوريد الكربون).
  • الكفاءة: تجاوزت كفاءة الفصل 99.35% لجميع الخلائط المختبرة.
  • التدفق: تم تحقيق تدفقات نفاذية عالية (تراوحت بين ~8443 إلى ~10034 لتر م⁻² ساعة⁻¹) دون ضغط خارجي.
    _ القدرة على الامتصاص: أظهر الورق قدرات امتصاص زيت عالية (7.68–21.92 جم/جم) لمختلف المذيبات العضوية والزيوت.
  • إعادة الاستخدام: ظل أداء الفصل مستقراً على مدار 10-20 دورة.
• المتانة: أظهرت المادة متانة استثنائية، حيث حافظت على خاصية الكره الشديد للماء (WCA > 150°) بعد:
  • 100 دورة من تقشير الشريط اللاصق.
  • 100 دورة من الطي.
  • 10 دورات من كشط ورق الصنفرة.
  • التعرض للمحاليل الحمضية (pH 1) والقلوية (pH 12)، والمياه المالحة (حتى 5% وزن من NaCl)، والأشعة فوق البنفسجية (12 ساعة)، والمعالجة الحرارية (حتى 100 درجة مئوية).
  • التخزين طويل الأمد (5 أسابيع) في الظروف المحيطة.
• مقاومة التلوث والتنظيف الذاتي: قاومت السطح التلوث من مختلف الملوثات السائلة (عصير العنب، الكولا، محاليل الصبغة) والملوثات الصلبة (مسحوق الطبشور). حيث تدحرجت قطرات الماء بعيداً عن السطح، جارفة معها الأوساخ، مما أظهر تنظيفاً ذاتياً فعالاً.
• الأداء الكهروحراري: بالاستفادة من قدرة تحويل الحرارة الضوئية لكبريتيد النحاس (CuS) والبوليدوبامين (PDA):
  • تحت إشعاع شمسي بقوة 1.0 كيلو واط م⁻²، وصلت درجة حرارة السطح إلى حوالي 74.3–78.6 درجة مئوية في غضون 60 ثانية.
  • أظهرت المادة استقراراً كهروحرارياً ممتازاً عبر 10 دورات من التشغيل/الإيقاف للضوء.
• النشاط المضاد للميكروبات الكهروحراري: تحت الإشعاع الضوئي، قامت المادة بتعطيل كل من البكتيريا موجبة الجرام (S. aureus) وسالبة الجرام (E. coli) بكفاءة، بينما لم تظهر المادة في الظلام أي تأثير معتبر لقتل البكتيريا.
• مقاومة التجمد وإزالة الجليد:
  • مقاومة التجمد: أدى الإشعاع الشمسي إلى إطالة وقت تجمد قطرات الماء بنسبة تقارب 124.7% مقارنة بالظروف غير المشعة.
  • إزالة الجليد: انخفض الوقت المطلوب لإذابة الجليد المتكون مسبقاً بنسبة تقارب 80.8% تحت الإشعاع الشمسي مقارنة بظروف الظلام.

الأهمية
يزعم البحث أن ورق السليلوز المعدل بكبريتيد النحاس والمصمم ليكون فائق الكره للماء يوفر منصة متعددة الاستخدامات ومتفوقة للمعالجة البيئية. ومن خلال دمج فصل الزيت/الماء الفعال مع وظائف مضادة للميكروبات ومضادة للتجمد وإزالة الجليد المعززة بالحرارة الضوئية، تعالج المادة القيود الحرجة للمواد الحالية فائقة الكره للماء، وتحديداً فيما يتعلق بالمتانة والأداء في درجات الحرارة المنخفضة أو البيئات الملوثة. ويرى المؤلفون أن هذا التصميم يوفر مساراً جديداً لتحقيق امتصاص فعال للزيت وتنقية المياه حتى في ظل الظروف القاسية، مما يجعلها واعدة للغاية للتطبيقات الصناعية الواقعية في معالجة التسربات النفطية ومعالجة المياه. كما أن استخدام السليلوز الوفير والمتجدد والمكونات منخفضة التكلفة وغير السامة يدعم إمكانية تنفيذها على نطاق واس ع.