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

L'olio e l'acqua sono nemici naturali. Quando si mescolano, come spesso accade nelle fasi successive a un incidente industriale o durante la lavorazione del petrolio greggio, formano un'emulsione ostinata e disordinata che è incredibilmente difficile da separare. Questo è un problema persistente per le industrie che trattano fanghi oleosi, un rifiuto pericoloso creato durante l'estrazione e la raffinazione del petrolio. Per pulire questi fanghi, le aziende spesso utilizzano calore e acqua per lavare via l'olio, ma questo processo genera enormi quantità di acque reflue piene di minuscole goccioline d'olio sospese e contaminanti chimici. I metodi tradizionali per pulire quest'acqua, come bruciarla o utilizzare sostanze chimiche aggressive, sono o sprechi o creano nuovi pericoli ambientali. La soluzione più promettente è stata a lungo l'uso di un materiale che agisca come una spugna, ma che sia abbastanza intelligente da bere l'olio lasciando passare l'acqua. Tuttavia, le spugne ordinarie non sono selettive; assorbono entrambi, o si intasano e diventano inutilizzabili dopo un singolo utilizzo.

I ricercatori della Zhejiang Sci-Tech University hanno sviluppato un nuovo tipo di spugna che risolve questi problemi combinando due materiali distinti in un unico strumento altamente efficiente. Sono partiti da un normale pezzo di schiuma di poliuretano, il tipo di materiale poroso e morbido che si trova nelle spugne domestiche, e gli hanno dato un restyling a doppio strato. Per prima cosa, hanno rivestito la spugna con un framework metallo-organico (MOF), un materiale cristallino composto da alluminio e molecole organiche che crea una vasta rete di piccoli tunnel microscopici. Questo strato aggiunge un'immensa superficie e rugosità, fornendo innumerevoli nicchie e fessure in cui le molecole d'olio possono rimanere intrappolate. In secondo luogo, hanno trattato l'intera struttura con olio di dimetilsilicone, una sostanza nota per la sua capacità di respingere l'acqua e attrarre l'olio. Questa combinazione crea una superficie così idrorepellente che l'acqua si aggrega in gocce e scivola via, mentre l'olio viene attirato istantaneamente.

Il team ha testato questa nuova spugna composita, che hanno chiamato M/Si-6@PU, su acque reflue reali generate dal lavaggio di fanghi oleosi. I risultati sono stati sorprendenti. Quando una goccia d'olio toccava la superficie della spugna modificata, svaniva nel materiale in soli 2,6 secondi, una velocità che è quasi la metà del tempo impiegato dalla stessa goccia per essere assorbita da una spugna non modificata. La spugna si è dimostrata capace di contenere una quantità enorme di olio rispetto al proprio peso. Poteva assorbire fino a 43 grammi di toluene per ogni grammo di spugna, e ha performato in modo simile con altri oli comuni come l'olio per pompe, il diesel e l'olio vegetale. Anche di fronte alla complessa e sporca realtà delle acque reflue industriali reali, la spugna è riuscita a trattenere 31 grammi di olio per grammo di materiale.

Oltre alla sua capacità di afferrare l'olio rapidamente, la spugna ha dimostrato una straordinaria durabilità. Nei test in cui il materiale veniva utilizzato ripetutamente per filtrare le acque reflue, ha mantenuto un'efficienza di separazione superiore al 99 percento per i primi otto cicli. Anche dopo trenta cicli di utilizzo, rimuoveva ancora più del 93 percento dell'olio, dimostrando di non usurarsi facilmente o di non perdere la propria efficacia. I ricercatori hanno anche testato la sua resilienza in condizioni estreme, immergendola in liquidi altamente acidi e altamente alcalini per un'ora. Sebbene la spugna abbia iniziato a mostrare segni di bagnabilità dopo quel tempo, ha mantenuto le sue proprietà idrofobiche abbastanza a lungo da essere utile in ambienti industriali duri dove altri materiali potrebbero fallire immediatamente.

Il meccanismo alla base di questo successo si basa sulla struttura unica creata dai due rivestimenti. Il framework metallo-organico fornisce una texture gerarchica e ruvida che intrappola piccole sacche d'aria, creando una barriera che l'acqua non può attraversare facilmente. Nel frattempo, lo strato di olio di silicone abbassa l'energia superficiale della spugna, rendendola naturalmente attratta dall'olio e respinta dall'acqua. Quando le acque reflue toccano la spugna, le strutture microscopiche e acuminate rompono fisicamente la stabile emulsione, permettendo all'olio di essere tirato in profondamente nei pori della spugna dalle forze capillari. Allo stesso tempo, la natura chimica del rivestimento assicura che l'olio aderisca saldamente alla spugna mentre l'acqua scorre attraverso. Questa doppia azione permette al materiale di non solo separare l'olio libero, ma anche di catturare inquinanti organici disciolti e goccioline emulsionate che solitamente sfuggono agli altri filtri.

Lo studio conferma che questo approccio è una via percorribile per il trattamento dei difficili rifiuti industriali. Utilizzando un semplice processo di immersione per applicare questi due materiali, i ricercatori hanno creato una soluzione scalabile che non richiede macchinari complessi o prodotti chimici costosi. La capacità della spugna di gestire acque reflue reali, resistere alla corrosione chimica e mantenere alte prestazioni dopo molti utilizzi suggerisce che potrebbe essere uno strumento pratico per la pulizia degli sversamenti di petrolio e il trattamento del deflusso industriale. Il lavoro evidenzia come combinare una struttura rigida e porosa con un rivestimento flessibile e idrorepellente possa creare un materiale che è molto più efficace della somma delle sue parti, offrendo un nuovo modo per affrontare una delle sfide più persistenti nella bonifica ambientale.