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

तकनीकी सारांश: CuS कार्यात्मक सुपरहाइड्रोफोबिक सेलुलोज पेपर का डिजाइन और निर्माण

समस्या विवरण
यह शोध पत्र बार-बार होने वाले तेल रिसाव (oil spills) और अनियंत्रित तैलीय अपशिष्ट जल निर्वहन से उत्पन्न बढ़ते पर्यावरणीय खतरों को संबोधित करता है, जो पारिस्थित प्रणालियों और मानव स्वास्थ्य को संकट में डालते हैं। हालांकि पारंपरिक उपचार विधियां (जैसे स्किमिंग, बायोरेमेडिएशन) मौजूद हैं, लेकिन वे अक्सर परिचालन जटिलता, उच्च ऊर्जा मांग और सीमित स्केलेबिलिटी से ग्रस्त होती हैं। यद्यपि सुपरहाइड्रोफोबिक सतहें (SHSs) तेल/पानी के पृथक्करण के लिए एक आशाजनक विकल्प प्रदान करती हैं, लेकिन उनका व्यावहारिक अनुप्रयोग अक्सर अपर्याप्त यांत्रिक स्थिरता, उच्च निर्माण लागत और कार्यात्मक नैनोकणों (जैसे कि फोटोथर्मल एजेंट) के सबस्ट्रेट से उखड़ने की प्रवृत्ति के कारण बाधित होता है। इसके अलावा, मौजूदा सामग्रियों में अक्सर एकीकृत कार्यात्मकताओं जैसे कि फोटोथर्मल-संचालित रोगाणुरोधी गतिविधि और एंटी-/डीआइसिंग (anti-/deicing) क्षमताओं का अभाव होता है, जो कठोर, कम तापमान वाले वातावरण में संचालन के लिए महत्वपूर्ण हैं।

कार्यप्रणाली
इन चुनौतियों का समाधान करने के लिए, लेखकों ने कॉपर सल्फाइड (CuS) से कार्यात्मक बनाया गया एक बहुक्रियात्मक सुपरहाइड्रोफोबिक सेलुलोज पेपर (CP) डिजाइन और निर्मित किया। निर्माण प्रक्रिया में एक बहु-चरणीय संशोधन रणनीति शामिल थी:

1. सबस्ट्रेट तैयारी: वाणिज्यिक सेलुलोज पेपर (CP) को एक पर्यावरण-अनुकूल, नवीकरणीय आधार के रूप में उपयोग किया गया।
2. PDA कोटिंग: सेलुलोज और CuS के बीच कमजोर इंटरफेशियल संपर्क की समस्या को हल करने के लिए, डोपामाइन के स्वतः ऑक्सीडेटिव पॉलीमराइजेशन के माध्यम से पॉलीडोपामाइन (PDA) कोटिंग लगाई गई। यह मसेल प्रोटीन (mussel proteins) से प्रेरित एक मजबूत आसंजक परत के रूप में कार्य करती है।
3. CuS निक्षेपण (Deposition): CuS नैनोकणों को हाइड्रोथर्मल विधि के माध्यम से संश्लेषित किया गया और उसके बाद PDA-संशोधित पेपर पर इन-सीटू (in-situ) कोटिंग की गई। PDA परत ने सेलुलोज फाइबर और CuS कणों के बीच मजबूत जुड़ाव को सुगम बनाया।
4. हाइड्रोफोबिक संशोधन: इस कंपोजिट को ऑक्टाडेसाइलामाइन (ODA) के घोल में डुबोया गया। ODA के लंबी श्रृंखला वाले हाइड्रोकार्बन ने सतह की ऊर्जा को कम कर दिया, जिससे सुपरहाइड्रोफोबिक अवस्था में परिवर्तन पूर्ण हुआ।

परिणामी सामग्री, जिसे CP/PDA/CuS/ODA नाम दिया गया, का लक्षण वर्णन SEM, XRD, FTIR और संपर्क कोण मापन का उपयोग करके किया गया। इसके प्रदर्शन का मूल्यांकन तेल/पानी पृथक्करण परीक्षणों, स्थायiteit आकलन (यांत्रिक, रासायनिक, तापीय और UV), एंटीफाउलिंग/सेल्फ-क्लीनिंग परीक्षणों और फोटोथर्मल मूल्यांकन (एंटीमाइक्रोबियल और एंटी-/डीआइसिंग क्षमताओं सहित) के माध्यम से किया गया।

प्रमुख योगदान और परिणाम

• सुपरहाइड्रोफोबिसिटी और सुपरओलिओफिलिसिटी: संशोधित पेपर ने 156.4° का वाटर कॉन्टैक्ट एंगल (WCA) और लगभग शून्य ऑयल कॉन्टैक्ट एंगल (OCA) प्रदर्शित किया। यह वेटेबिलिटी (wettability) PDA/CuS क्लस्टर्स द्वारा प्रदान की गई पदानुक्रमित सूक्ष्म/नैनो-खुरदरापन और ODA कोटिंग की निम्न सतह ऊर्जा के सहक्रियात्मक प्रभाव के कारण थी।
• तेल/पानी पृथक्करण: सामग्री ने विभिन्न तेल/पानी मिश्रणों (साइक्लोहेक्सेन, पेट्रोलियम ईथर, n-हेक्सेन, डाइक्लोरोमेथेन, क्लोरोफॉर्म और कार्बन टेट्राक्लोराइड सहित) के प्रभावी निरंतर गुरुत्वाकर्षण-चालित पृथक्करण का प्रदर्शन किया।
  • दक्षता: परीक्षण किए गए सभी मिश्रणों के लिए पृथक्करण दक्षता 99.35% से अधिक थी।
  • फ्लक्स (Flux): बिना किसी बाहरी दबाव के उच्च पारगम्यता फ्लक्स (~8443 से ~10034 L m⁻² h⁻¹ के बीच) प्राप्त किया गया।
  • अवशोषण क्षमता: कागज ने विभिन्न कार्बनिक सॉल्वैंट्स और तेलों के लिए उच्च तेल अवशोषण क्षमता (7.68–21.92 g/g) दिखाई।
  • पुन: प्रयोज्यता: पृथक्करण प्रदर्शन 10-20 चक्रों में स्थिर रहा।
• स्थायित्व (Durability): सामग्री ने असाधारण मजबूती प्रदर्शित की, और निम्नलिखित स्थितियों के बाद भी सुपरहाइड्रोफोबिसिटी (WCA > 150°) बनाए रखी:
  • 100 टेप-पीलिंग चक्र।
  • 100 फोल्डिंग चक्र।
  • 10 सैंडपेपर एब्रेशन (घर्षण) चक्र।
  • अम्लीय (pH 1) और क्षारीय (pH 12) समाधानों, नमक के पानी (5 wt% NaCl तक), UV विकिरण (12 घंटे), और तापीय उपचार (100°C तक) के संपर्क में आना।
  • परिवेशी स्थितियों के तहत दीर्घकालिक भंडारण (5 सप्ताह)।
• एंटीफाउलिंग और सेल्फ-क्लीनिंग: सतह ने विभिन्न तरल प्रदूषकों (अंगूर का रस, कोला, डाई समाधान) और ठोस प्रदूषकों (चाक पाउडर) से होने वाले संदूषण का विरोध किया। पानी की बूंदें सतह से लुढ़क गईं और गंदगी को अपने साथ ले गईं, जो प्रभावी सेल्फ-क्लीनिंग को प्रदर्शित करती हैं।
• फोटोथर्मल प्रदर्शन: CuS और PDA की फोटोथर्मल रूपांतरण क्षमता का लाभ उठाते हुए:
  • 1.0 kW m⁻² सौर विकिरण के तहत, सतह का तापमान 60 सेकंड के भीतर लगभग 74.3–78.6°C तक पहुँच गया।
  • सामग्री ने 10 लाइट ऑन-ऑफ चक्रों पर उत्कृष्ट फोटोथर्मल स्थिरता दिखाई।
• फोटोथर्मल एंटीमाइक्रोबियल गतिविधि: प्रकाश विकिरण के तहत, सामग्री ने ग्राम-पॉजिटिव (S. aureus) और ग्राम-नेगेटिव (E. coli) दोनों बैक्टीरिया को कुशलतापूर्वक निष्क्रिय कर दिया, जबकि अंधेरे में सामग्री ने कोई महत्वपूर्ण जीवाणुनाशक प्रभाव नहीं दिखाया।
• एंटी-आइसिंग और डीआइसिंग:
  • एंटी-आइसिंग: सौर विकिरण ने गैर-विकिरणित स्थितियों की तुलना में पानी की बूंदों के जमने के समय को लगभग 124.7% तक बढ़ा दिया।
  • डीआइसिंग: अंधेरे की स्थिति की तुलना में सौर विकिरण के तहत पूर्व-निर्मित बर्फ को पिघलाने के लिए आवश्यक समय में लगभग 80.8% की कमी आई।

महत्व
यह शोध पत्र दावा करता है कि निर्मित CuS-कार्यात्मक सुपरहाइड्रोफोबिक सेलुलोज पेपर एक बहुमुखी और श्रेष्ठ मंच प्रदान करता है। फोटोथर्मल रूप से उन्नत एंटीमाइक्रोबियल और एंटी-/डीआइसिंग कार्यात्मकताओं के साथ कुशल तेल/पानी पृथक्करण को एकीकृत करके, यह सामग्री वर्तमान सुपरहाइड्रोफोबिक सामग्रियों की महत्वपूर्ण सीमाओं, विशेष रूप से स्थायित्व और कम तापमान या संदूषित वातावरण में प्रदर्शन के संबंध में, का समाधान करती है। लेखक तर्क देते हैं कि यह डिजाइन कठोर परिस्थितियों में भी कुशल तेल अवशोषण और जल शुद्धिकरण को साकार करने के लिए एक नया मार्ग प्रदान करता है, जो इसे तेल रिसाव उपचार और जल उपचार में वास्तविक औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए अत्यधिक आशाजनक बनाता है। प्रचुर, नवीकरणीय सेलुलोज और कम लागत वाले, गैर-विषाक्त घटकों का उपयोग इसके स्केलेबल कार्यान्वयन के लिए भी समर्थन करता है।