Fluorine Free Ph8 POSS Coated on Polyurethane Foam for Enhanced Oil/Water Separation Capability

Olieverontreinigingen en industrieel afvalwater vormen hardnekkige bedreigingen voor de waterwegen van de wereld, waarbij ze schone rivieren en oceanen veranderen in giftige drab die het leven in het water schaadt en ecosystemen verstoort. Decennialang hebben wetenschappers gezocht naar materialen die kunnen fungeren als een spons, die olie opzuigen terwijl ze het water achterlaten. Een veelbelovende aanpak houdt in dat er gebruik wordt gemaakt van schuim dat is gecoat met speciale chemicaliën die water afstoten maar olie aantrekken. De meest effectieve coatings die tot nu toe zijn ontdekt, vertrouwen echter op op fluor gebaseerde verbindingen. Hoewel deze materialen goed werken, staan ze erom bekend dat ze giftig zijn en eeuwenlang in het milieu blijven bestaan, omdat ze niet natuurlijk afbreken. Dit creëert een lastige afweging: een oplossing voor het ene milieuprobleem die een ander probleem introduceert. Onderzoekers zoeken nu naar een manier om dezelfde reinigingskracht te verkrijgen zonder de langetermijnschade voor het milieu, waarbij ze zoeken naar materialen die robuust, effectief en veilig zijn voor de planeet.

In een recente studie heeft een team wetenschappers uit Nigeria een nieuw type coating ontwikkeld die volledig vrij is van fluor. Ze creëerden een materiaal genaamd fluorvrije octafenyl POSS, een minuscule, kooiachtige structuur gemaakt van silicium- en zuurstofatomen omringd door ringen van koolstof en waterstof. Om dit te maken, mengden ze een chemische stof genaamd fenyltrichloorsilaan met kaliumhydroxide in een verwarmde oplossing, waardoor de moleculen aan elkaar konden koppelen tot deze stabiele, microscopische kooien. De onderzoekers namen vervolgens een standaard stuk polyurethaanschuim — het zachte, open-celmateriaal dat vaak in meubels of filters wordt gevonden — en dompelden dit in een oplossing die hun nieuwe chemische stof bevatte. Na het drogen bleef het schuim achter met een dun laagje van deze kleine kooitjes die aan het oppervlak kleefden. Het doel was om te zien of deze eenvoudige, fluorvrije coating het schuim kon veranderen in een hulpmiddel dat in staat is om olie van water te scheiden.

Het team bevestigde eerst dat ze de juiste chemische structuur succesvol hadden opgebouwd. Met behulp van geavanceerde beeldvormingstechnieken die fungeren als een moleculaire vingerafdrukscanner, verifieerden ze dat de siliciumatomen in de precieze, uniforme kooivorm waren gerangschikt zoals bedoeld. Ze testten ook hoe het materiaal zich onder hitte gedroeg. De coating bleek vrij stabiel en hield goed stand tot temperaturen van 450 graden Celsius bereikten, waarna het begon aanzienlijk af te breken. Zelfs na deze intense verhitting bleef een aanzienlijk deel van het materiaal achter als een vaste residu, wat suggereert dat het een sterk, hittebestendig netwerk vormt. Misschien wel het belangrijkste voor praktisch gebruik: de onderzoekers testten of de nieuwe chemische stof schadelijk was voor levende cellen. Ze exposeerden muizenneuronen aan het materiaal en ontdekten dat de overgrote meerderheid van de cellen, ongeveer 94 procent, gezond en actief bleef, wat aangeeft dat de coating niet-toxisch en veilig te hanteren is.

Toen de onderzoekers deze coating op het schuim aanbrachten, veranderde het oppervlak op een manier die de interactie tussen water en het materiaal beïnvloedde. Onder een microscoop zag het oppervlak van het schuim er ruw en getextureerd uit, bedekt met de kleine, onregelmatige deeltjes van de nieuwe chemische stof. Deze ruwheid is essentieel voor de functie van het materiaal. Toen ze een druppel water op het behandelde schuim plaatsten, verspreidde het water zich niet of trok het niet in het materiaal; in plaats daarvan parelde het water, waardoor een vorm ontstond die het oppervlak raakte onder een hoek van meer dan 100 graden. Dit gedrag classificeert het schuim als hydrofoob, wat betekent dat het water actief afstoot. Omdat het materiaal ook van nature wordt aangetrokken door olie, kan het selectief olie uit een mengsel pakken terwijl het het water op afstand houdt. Dit selectieve gedrag is precies wat nodig is om olieverontreinigingen op te ruimen of oliehoudend afvalwater te behandelen.

Om te testen of het schuim daadwerkelijk de klus kon klaren, onderdompelde het team het in een mengsel van dieselolie en water. Het gecoate schuim begon onmiddellijk de olie op te zuigen en hield bijna vijf keer zijn eigen gewicht vast bij de eerste poging. De onderzoekers persten het schuim vervolgens uit om de olie te verwijderen en herhaalden dit proces vijf keer om te zien hoe goed het standhield. Het schuim presteerde aanvankelijk goed, waarbij het zelfs iets meer olie absorbeerde in de tweede ronde omdat de poriën volledig werden doordrenkt. Echter, bij elke opeenvolgende persing en hergebruik nam de hoeveelheid olie die het kon vasthouden geleidelijk af. Bij de vijfde cyclus was het schuim nog steeds in staat om olie te absorberen, maar de capaciteit was aanzienlijk gedaald. De onderzoekers merkten op dat deze afname waarschijnlijk kwam doordat er olie in het schuim achterbleef na het uitpersen, of dat er misschien een kleine hoeveelheid van de coating verschoof of wegsleet tijdens het herhaaldelijk hanteren.

Ondanks het geleidelijke verlies aan efficiëntie bij meervoudig gebruik, toont de studie aan dat een fluorvrije chemische stof succesvol gewoon schuim kan transformeren tot een functioneel olie-absorberend hulpmiddel. Het materiaal is geen permanente, perfecte oplossing die nooit degradeert, maar het biedt een levensvatbaar, veiliger alternatief voor de giftige gefluoreerde coatings die momenteel in gebruik zijn. Het bewijst dat het mogelijk is om een hydrofoob oppervlak te creëren met chemie die minder persistent is in het milieu en onschadelijk is voor levende cellen. Hoewel de prestaties van het schuim afnemen bij herhaaldelijk gebruik, vormt het vermogen om olie van water te scheiden zonder gebruik te maken van gevaarlijke stoffen een betekenisvolle stap vooruit in de ontwikkeling van duurzame methoden voor het reinigen van ons water.