Synergistic dual-modification of polyurethane sponge with MIL-53(Al) and dimethylsilicone oil for efficient oil–water separation of oily sludge thermal washing wastewater

Öl und Wasser sind natürliche Feinde. Wenn sie sich vermischen, was oft nach einem Industrieunfall oder während der Verarbeitung von Rohöl geschieht, bilden sie eine hartnäckige, unordentliche Emulsion, die unglaublich schwer zu trennen ist. Dies ist ein anhaltendes Problem für Industrien, die mit öligen Schlämmen zu tun haben, einem gefährlichen Abfallprodukt, das bei der Gewinnung und Raffination von Öl entsteht. Um diesen Schlamm zu reinigen, nutzen Unternehmen oft Hitze und Wasser, um das Öl herauszuwäschen, aber dieser Prozess erzeugt riesige Mengen an Abwasser, das mit winzigen, schwebenden Öltröpfchen und chemischen Verunreinigungen gefüllt ist. Traditionelle Methoden zur Reinigung dieses Wassers, wie etwa das Verbrennen oder die Verwendung harter Chemikalien, sind entweder verschwenderisch oder schaffen neue Umweltgefahren. Die vielversprechendste Lösung bestand lange Zeit darin, ein Material zu verwenden, das wie ein Schwamm wirkt, aber klug genug ist, das Öl aufzusaugen, während das Wasser einfach hindurchfließen darf. Herkömmliche Schwämme sind jedoch nicht selektiv; sie saugen beides auf oder verstopfen und werden nach einmaliger Verwendung unbrauchbar.

Forscher der Zhejiang Sci-Tech University haben einen neuen Typ Schwamm entwickelt, der diese Probleme löst, indem er zwei unterschiedliche Materialien zu einem einzigen, hocheffizienten Werkzeug kombiniert. Sie begannen mit einem Standardstück Polyurethan-Schaumstoff, der Art von weichem, porösem Material, wie man es in Haushaltsschwämmen findet, und gaben ihm ein duales Makeover. Zuerst beschichteten sie den Schwamm mit einem metallorganischen Gerüst (Metal-Organic Framework), einem kristallinen Material aus Aluminium und organischen Molekülen, das ein riesiges Netzwerk aus winzigen, mikroskopischen Tunneln erzeugt. Diese Schicht fügt eine immense Oberfläche und Rauheit hinzu und bietet unzählige Nischen und Spalten, in denen Ölmoleküle gefangen werden können. Zweitens behandelten sie die gesamte Struktur mit Dimethylsilikonöl, einer Substanz, die für ihre Fähigkeit bekannt ist, Wasser abzuweisen und Öl anzuziehen. Diese Kombination schafft eine Oberfläche, die so wasserabweisend ist, dass Wasser abperlt und abrollt, während Öl sofort hineingezogen wird.

Das Team testete diesen neuen Verbundschwamm, den sie M/Si-6@@PU nannten, an echtem Abwasser, das beim Waschen von öligen Schlämmen entstanden ist. Die Ergebnisse waren beeindruckend. Als ein Tropfen Öl die Oberfläche des modifizierten Schwamms berührte, verschwand er in nur 2,6 Sekunden im Material – eine Geschwindigkeit, die fast halb der Zeit entsprach, die ein unmodifizierter Schwamm für die Absorption desselben Tropfens benötigte. Der Schwamm war in der Lage, eine massive Menge an Öl im Verhältnis zu seinem eigenen Gewicht aufzunehmen. Er konnte bis zu 43 Gramm Toluol pro Gramm Schwamm aufsaugen, und er zeigte eine ähnlich gute Leistung bei anderen gängigen Ölen wie Pumpöl, Diesel und Pflanzenöl. Selbst wenn er mit der komplexen, schmutzigen Realität von echtem industriellem Abwasser konfrontiert wurde, schaffte es der Schwamm, 31 Gramm Öl pro Gramm Material aufzunehmen.

Neben seiner Fähigkeit, Öl schnell zu greifen, demonstrierte der Schwamm eine bemerkenswerte Haltbarkeit. In Tests, bei denen das Material wiederholt zur Filterung von Abwasser eingesetzt wurde, behielt es über acht Zyklen hinweg eine Trenneffizienz von über 99 Prozent bei. Selbst nach dreißig Anwendungzyklen entfernte es immer noch mehr als 93 Prozent des Öls, was zeigt, dass es nicht leicht verschleißt oder an Wirksamkeit verliert. Die Forscher testeten auch seine Widerstandsfähigkeit unter extremen Bedingungen, indem sie ihn eine Stunde lang hoch sauren und hoch alkalischen Flüssigkeiten aussetzten. Während der Schwamm nach dieser Zeit erste Anzeichen von Benetzung zeigte, behielt er seine hydrophoben Eigenschaften lange genug bei, um in rauen Industrieumgebungen, in denen andere Materialien sofort versagen würden, nützlich zu sein.

Der Mechanismus hinter diesem Erfolg beruht auf der einzigartigen Struktur, die durch die beiden Beschichtungen geschaffen wurde. Das metallorganische Gerüst liefert eine raue, hierarchische Textur, die winzige Lufttaschen einschließt und so eine Barriere schafft, die Wasser nicht leicht durchdringen kann. Gleichzeitig senkt die Dimethylsilikonöl-Schicht die Oberflächenenergie des Schwamms, wodurch er von Natur aus Öl anzieht und Wasser abstößt. Wenn das Abwasser den Schwamm berührt, zerbrechen die scharfen, mikroskopischen Strukturen die stabile Emulsion physisch, sodass das Öl durch Kapillarkräfte tief in die Poren des Schwamms gezogen werden kann. Gleichzeitig stellt die chemische Beschaffenheit der Schicht sicher, dass das Öl fest am Schwamm haftet, während das Wasser hindurchfließt. Diese duale Wirkung ermöglicht es dem Material, nicht nur frei schwimmendes Öl zu trennen, sondern auch gelöste organische Schadstoffe und emulgierte Tröpfchen einzufangen, die normalerweise durch andere Filter schlüpfen würden.

Die Studie bestätigt, dass dieser Ansatz ein gangbarer Weg für die Behandlung schwieriger Industrieabfälle ist. Durch die Verwendung eines einfachen Eintauchprozesses zur Anwendung dieser beiden Materialien schufen die Forscher eine skalierbare Lösung, die keine komplexen Maschinen oder teuren Chemikalien erfordert. Die Fähigkeit des Schwamms, reales Abwasser zu bewältigen, chemischer Korrosion zu widerstehen und über viele Anwendungen hinweg eine hohe Leistung aufrechtzuerhalten, deutet darauf hin, dass er ein praktisches Werkzeug zur Reinigung von Ölverschmutzungen und zur Behandlung von industriellen Abflüssen sein könnte. Die Arbeit unterstreicht, wie die Kombination einer starren, porösen Struktur mit einer flexiblen, wasserabweisenden Beschichtung ein Material schaffen kann, das weit mehr ist als die Summe seiner Teile, und bietet einen neuen Weg, um eine der hartnäckigsten Herausforderungen in der Umweltsanierung anzugehen.