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

Olie en water zijn natuurlijke vijanden. Wanneer ze mengen, wat vaak gebeurt na een industrieel ongeval of tijdens de verwerking van ruwe olie, vormen ze een hardnekkige, rommelige emulsie die extreem moeilijk te scheiden is. Dit is een hardnekkig probleem voor industrieën die te maken hebben met oliehoudende slib, een gevaarlijk afvalproduct dat ontstaat wanneer olie wordt gewonnen en geraffineerd. Om dit slib te reinigen, gebruiken bedrijven vaak hitte en water om de olie uit te wassen, maar dit proces genereert enorme hoeveelheden afvalwater vol met minuscule, zwevende oliedruppels en chemische verontreinigingen. Traditionele methoden om dit water te reinigen, zoals verbranden of het gebruik van harde chemicaliën, zijn ofwel verspillend of creëren nieuwe milieuproblemen. De meest veelbelovende oplossing is al lang het gebruik van een materiaal dat werkt als een spons, maar eentje die slim genoeg is om de olie op te zuigen terwijl het water er gewoon doorheen kan gaan. Gewone sponzen zijn echter niet selectief; ze zuigen beide op, of ze raken verstopt en onbruikbaar na één enkel gebruik.

Onderzoekers aan de Zhejiang Sci-Tech University hebben een nieuw type spons ontwikkeld die deze problemen oplost door twee verschillende materialen te combineren tot één enkele, uiterst efficiënte tool. Ze begonnen met een standaard stuk polyurethaanschuim, het soort zacht, poreus materiaal dat in huishoudelijke sponzen wordt gevonden, en gaven het een dubbellaagse make-over. Eerst bekleedden ze de spons met een metaal-organisch raamwerk, een kristallijn materiaal gemaakt van aluminium en organische moleculen dat een uitgestrekt netwerk van minuscule, microscopische tunnels creëert. Deze laag voegt een enorme oppervlakte en ruwheid toe, wat talloze nissen en kieren biedt waarin olie moleculen gevangen kunnen raken. Ten tweede behandelden ze de gehele structuur met dimethylsiliconenolie, een stof die bekend staat om haar vermogen om water af te stoten en olie aan te trekken. Deze combinatie creëert een oppervlak dat zo waterafstotend is dat water er druppelvormig op blijft liggen en eraf rolt, terwijl olie direct wordt opgezogen.

Het team testte deze nieuwe composiet-spons, die ze M/Si-6@PU noemden, op echt afvalwater gegenereerd door het wassen van oliehoudend slib. De resultaten waren opmerkelijk. Wanneer een druppel olie het oppervlak van de gemodificeerde spons raakte, verdween deze in slechts 2,6 seconden in het materiaal, een snelheid die bijna de helft is van de tijd die een ongewijzigde spons nodig had voor de absorptie van dezelfde druppel. De spons bleek in staat om een enorme hoeveelheid olie op te nemen in verhouding tot zijn eigen gewicht. Hij kon tot 43 gram tolueen absorberen voor elke gram spons, en presteerde even goed met andere veelvoorkomende oliën zoals pompolie, diesel en plantaardige olie. Zelfs wanneer geconfronteerd met de complexe, vuile realiteit van echt industrieel afvalwater, slaagde de spons erin om 31 gram olie per gram materiaal vast te houden.

Naast haar vermogen om olie snel te grijpen, toonde de spons een opmerkelijke duurzaamheid. In tests waarbij het materiaal herhaaldelijk werd gebruikt om afvalwater te filteren, behield het een scheidingsefficiëntie van meer dan 99 procent tijdens de eerste acht cycli. Zelfs na dertig cycli van gebruik verwijderde het nog steeds meer dan 93 procent van de olie, wat aantoont dat het niet gemakkelijk slijt of zijn effectiviteit verliest. De onderzoekers testten ook de veerkracht in extreme omstandigheden door het materiaal een uur lang onder te dompelen in sterk zure en sterk alkalische vloeistoffen. Hoewel de spons na die tijd tekenen van bevochtiging begon te vertonen, behield het zijn hydrofobe eigenschappen lang genoeg om nuttig te zijn in harde industriële omgevingen waar andere materialen direct zouden falen.

Het mechanisme achter dit succes berust op de unieke structuur die door de twee coatings is gecreëerd. Het metaal-organische raamwerk zorgt voor een ruwe, hiërarchische textuur die kleine zakjes lucht vasthoudt, waardoor een barrière ontstaat die water niet gemakkelijk kan doordringen. Ondertussen verlaagt de siliconenoliellaag de oppervlakte-energie van de spons, waardoor deze van nature wordt aangetrokken door olie en wordt afgestoten door water. Wanneer het afvalwater de spons raakt, breken de scherpe, microscopische structuren de stabiele emulsie fysiek uiteen, waardoor de olie door capillaire krachten diep in de poriën van de spons kan worden getrokken. Tegelijkertijd zorgt de chemische aard van de coating ervoor dat de olie stevig aan de spons blijft plakken terwijl het water erdoorheen stroomt. Deze dubbele werking stelt het materiaal in staat om niet alleen vrij drijvende olie te scheiden, maar ook opgeloste organische vervuilingen en geëmulgieerde druppeltjes te vangen die normaal gesproken door andere filters zouden glippen.

De studie bevestigt dat deze aanpak een levensvatbaar pad voorwaarts is voor de behandeling van moeilijk industrieel afval. Door een eenvoudig dompelproces te gebruiken om deze twee materialen aan te brengen, creëerden de onderzoekers een schaalbare oplossing die geen complexe machines of dure chemicaliën vereist. Het vermogen van de spons om echt afvalwater te verwerken, bestand te zijn tegen chemische corrosie en een hoog prestatievermogen te behouden over vele toepassingen, suggereert dat het een praktisch hulpmiddel kan zijn voor het opruimen van olierampen en het behandelen van industrieel afvoerwater. Het werk benadrukt hoe het combineren van een rigide, poreuze structuur met een flexibele, waterafstotende coating een materiaal kan creëren dat veel effectiever is dan de som der delen, wat een nieuwe manier biedt om een van de meest hardnekkige uitdagingen in milieusanering aan te pakken.