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

Sintesi Tecnica: Progettazione e Costruzione di Carta di Cellulosa Superidrofobica Funzionalizzata con CuS

Problematica
Il documento affronta le crescenti minacce ambientali poste dalle frequenti fuoriuscite di petrolio e dagli incontrollati scarichi di acque reflue oleose, che mettono in pericolo gli ecosoli e la salute umana. Sebbene esistano metodi di trattamento convenzionali (ad esempio, sgrassaggio, biorisanamento), essi soffrono spesso di complessità operativa, elevata richiesta energetica e limitata scalabilità. Sebbene le superfici superidrofobiche (SHS) offrano un'alternente promettente per la separazione olio/acqua, la loro applicazione pratica è spesso ostacolata da una scarsa stabilità meccanica, alti costi di fabbricazione e dalla tendenza delle nanoparticelle funzionali (come gli agenti fototermici) a staccarsi dai substrati. Inoltre, i materiali esistenti spesso mancano di funzionalità integrate come l'attività antimicrobica guidata dal fototermismo e le capacità anti-/disgelo, che sono cruciali per l'operatività in ambienti rigidi e a bassa temperatura.

Metodologia
Per affrontare queste sfide, gli autori hanno progettato e fabbricato una carta di cellulosa (CP) multifunzionale superidrofobica funzizzata con solfuro di rame (CuS). Il processo di fabbricazione ha comportato una strategia di modifica in più fasi:

1. Preparazione del Substrato: Carta di cellulosa commerciale (CP) è stata utilizzata come base ecologica e rinnovabile.
2. Rivestimento PDA: Per risolvere il problema del debole contatto interfacciale tra CuS e cellulosa, è stato applicato un rivestimento di polidopamina (PDA) tramite la polimerizzazione ossidativa spontanea della dopamina. Questo ha agito come uno strato adesivo robusto ispirato alle proteine dei mitili.
3. Deposizione di CuS: Le nanoparticelle di CuS sono state sintetizzate tramite un metodo idrotermico e successivamente rivestite in situ sulla carta modificata con PDA. Lo strato di PDA ha facilitato la forte adesione tra le particelle di CuS e le fibre di cellulosa.
4. Modifica Idrofobica: Il composito è stato immerso in una soluzione di ottadecilammina (ODA). Gli idrocarburi a catena lunga dell'ODA hanno abbassato l'energia superficiale, completando la transizione allo stato superidrofobico.

Il materiale risultante, denominato CP/PDA/CuS/ODA, è stato caratterizzato mediante SEM, XRD, FTIR e misurazioni dell'angolo di contatto. Le sue prestazioni sono state valutate attraverso test di separazione olio/acqua, valutazioni di durabilità (meccanica, chimica, termica e UV), test di anti-fouling/auto-pulizia e valutazioni fototermiche (inclusi le capacità antimicrobiche e anti-/disgelo).

Contributi Chiave e Risultati

• Superidrofobicità e Superoleofilia: La carta modificata ha esibito un angolo di contatto con l'acqua (WCA) di 156,4° e un angolo di contatto con l'olio (OCA) virtualmente nullo. Questa bagnabilità è stata attribuita all'effetto sinergico della rugosità micro/nano gerarchica fornita dai cluster PDA/CuS e alla bassa energia superficiale del rivestimento ODA.
• Separazione Olio/Acqua: Il materiale ha dimostrato una separazione continua ed efficace per gravità di varie miscele olio/acqua (inclusi cicloesano, etere di petrolio, n-esano, diclorometano, cloroformio e tetracloruro di carbonio).
  • Efficienza: L'efficienza di separazione ha superato il 99,35% per tutte le miscele testate.
  • Flusso: Sono stati raggiunti elevati flussi di permeazione (compresi tra ~8443 e ~10034 L m⁻² h⁻¹) senza pressione esterna.
  • Capacità di Assorbimento: La carta ha mostrato elevate capacità di assorbimento dell'olio (7,68–21,92 g/g) per vari solventi organici e oli.
  • Riutilizzabilità: La prestazione di separazione è rimasta stabile per 10–20 cicli.
• Durabilità: Il materiale ha esibito una robustezza eccezionale, mantenendo la superidrofobicità (WCA > 150°) dopo:
  • 100 cicli di peeling con nastro adesivo.
  • 100 cicli di piegatura.
  • 10 cicli di abrasione con carta vetrata.
  • Esposizione a soluzioni acide (pH 1) e alcaline (pH 12), acqua salata (fino al 5% in peso di NaCl), irraggiamento UV (12 h) e trattamento termico (fino a 100°C).
  • Conservazione a lungo termine (5 settimane) in condizioni ambientali.
• Anti-fouling e Auto-pulizia: La superficie ha resistito alla contaminazione da parte di vari inquinanti liquidi (succo d'uva, cola, soluzioni di colorante) e contaminanti solidi (polvere di gesso). Le gocce d'acqua sono rotolate via dalla superficie, portando via lo sporco, dimostrando un'efficace auto-pulizia.
• Prestazioni Fototermiche: Sfruttando la capacità di conversione fototermica di CuS e PDA:
  • Sotto un irraggiamento solare di 1,0 kW m⁻², la temperatura superficiale ha raggiunto circa 74,3–78,6°C entro 60 secondi.
  • Il materiale ha mostrato un'eccellente stabilità fototermica su 10 cicli di accensione-spegnimento della luce.
• Attività Antimicrobica Fototermica: Sotto irraggiamento luminoso, il materiale ha inattivato efficacementamente sia batteri Gram-positivi (S. aureus) che Gram-negativi (E. coli), mentre il materiale al buio non ha mostato alcun effetto battericida significativo.
• Anti-ghiaccio e Disgelo:
  • Anti-ghiaccio: L'irraggiamento solare ha esteso il tempo di congelamento delle gocce d'acqua di circa il 124,7% rispetto alle condizioni senza irraggiamento.
  • Disgelo: Il tempo richiesto per sciogliere il ghiaccio pre-formato è stato ridotto di circa l'80,8% sotto irraggiamento solare rispetto alle condizioni di buio.

Significatività
L'articolo sostiene che la carta di cellulosa funzionalizzata con CuS e superidrofobica offre una piattaforma versatile e superiore per il risanamento ambientale. Integrando una separazione olio/acqua efficiente con funzionalità antimicrobiche e anti-/disgelo potenziate dal fototermismo, il materiale affronta i limiti critici degli attuali materiali superidrofobici, specificamente la durata e le prestazioni in ambienti a bassa temperatura o contaminati. Gli autori postulano che questo design fornisca una nuova via per realizzare un assorbimento dell'olio e una purificazione dell'acqua efficienti anche in condizioni difficili, rendendolo altamente promettente per applicazioni industriali realistiche nel risanamento delle fuoriuscite di petrolio e nel trattamento delle acque. L'uso di cellulosa abbondante e rinnovabile e di componenti a basso costo e non tossici supporta ulteriormente il suo potenziale per un'implementazione su larga scala.