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

Óleo e água são inimigos naturais. Quando se misturam, como frequentemente ocorre após um acidente industrial ou durante o processamento de petróleo bruto, formam uma emulsão persistente e suja que é incrivelmente difícil de separar. Este é um problema persistente para indústrias que lidam com lama oleosa, um resíduo perigoso criado quando o petróleo é extraído e refinado. Para limpar essa lama, as empresas costem usar calor e água para lavar o óleo, mas esse processo gera vastas quantidades de águas residuais repletas de minúsculas gotículas de óleo suspensas e contaminantes químicos. Os métodos tradicionais para limpar essa água, como a incineração ou o uso de produtos químicos agressivos, são ou dispendiosos ou criam novos riscos ambientais. A solução mais promissora tem sido, há muito tempo, o uso de um material que atue como uma esponja, mas que seja inteligente o suficiente para absorver o óleo enquanto deixa a água passar. No entanto, as esponjas comuns não são seletivas; elas absorvem ambos, ou ficam entupidas e inúteis após um único uso.

Pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Zhejiang desenvolveram um novo tipo de esponja que resolve esses problemas ao combinar dois materiais distintos em uma única ferramenta altamente eficiente. Eles começaram com um pedaço padrão de espuma de poliuretano, o tipo de material macio e poroso encontrado em esponjas domésticas, e deram a ele um tratamento de camada dupla. Primeiro, revestiram a esponja com uma estrutura metalorgânica, um material cristalino feito de alumínio e moléculas orgânicas que cria uma vasta rede de túneis microscópicos minúsculos. Esta camada adiciona uma imensa área superficial e rugosidade, proporcionando inúmeros recônditos e fendas para que as moléculas de óleo fiquem presas. Segundo, trataram toda a estrutura com óleo de dimetilsilicone, uma substância conhecida por sua capacidade de repelir a água e atrair o óleo. Essa combinação cria uma superfície tão repelente à água que a água forma gotas e escorre, enquanto o óleo é atraído instantaneamente.

A equipe testou esta nova esponja composta, que nomearam de M/Si-6@PU, em águas residuais reais geradas pela lavagem de lama oleosa. Os resultados foram impressionantes. Quando uma gota de óleo tocou a superfície da esponja modificada, ela desapareceu no material em apenas 2,6 segundos, uma velocidade que é quase metade do tempo que uma esponja não modificada levou para absorver a mesma gota. A esponja provou ser capaz de conter uma quantidade massiva de óleo em relação ao seu próprio peso. Ela conseguiu absorver até 4 de tolueno para cada grama de esponja, e teve um desempenho semelhante com outros óleos comuns, como óleo de bomba, diesel e óleo vegetal. Mesmo diante da realidade complexa e suja de águas residuais industriais reais, a esponja conseguiu conter 31 gramas de óleo por grama de material.

Além de sua capacidade de agarrar o óleo rapidamente, a esponja demonstrou uma durabilidade notável. Em testes onde o material foi usado para filtrar águas residuais repetidamente, ele manteve uma eficiência de separação superior a 99 por cento nos primeiros oito ciclos. Mesmo após trinta ciclos de uso, ainda removia mais de 93 por cento do óleo, mostrando que não se desgasta facilmente ou perde sua eficácia. Os pesquisadores também testaram sua resiliência em condições extremas, submergindo-a em líquidos altamente ácidos e altamente alcalinos por uma hora. Embora a esponja tenha começado a mostrar sinais de molhabilidade após esse tempo, ela manteve suas propriedades hidrofóbicas tempo suficiente para ser útil em ambientes industriais severos onde outros materiais poderiam falhar imediatamente.

O mecanismo por trás deste sucesso baseia-se na estrutura única criada pelos dois revestimentos. A estrutura metalorgânica fornece uma textura hierárquica e rugosa que aprisiona pequenas bolsas de ar, criando uma barreira que a água não consegue atravessar facilmente. Enquanto isso, a camada de óleo de silicone reduz a energia superficial da esponja, tornando-a naturalmente atraída pelo óleo e repelida pela água. Quando as águas residuais tocam a esponja, as estruturas microscópicas agudas quebram fisicamente a emulsão estável, permitindo que o óleo seja puxado para o interior dos poros da esponja por forças capilares. Ao mesmo tempo, a natureza química do revestimento garante que o óleo adira firmemente à esponja enquanto a água flui através dela. Esta ação dupla permite que o material não apenas separe o óleo flutuante livre, mas também capture poluentes orgânicos dissolvidos e gotículas emulsificadas que normalmente passariam por outros filtros.

O estudo confirma que esta abordagem é um caminho viável para o tratamento de resíduos industriais difíceis. Ao utilizar um processo simples de imersão para aplicar estes dois materiais, os pesquisadores criaram uma solução escalável que não requer maquinaria complexa ou produtos químicos caros. A capacidade da esponja de lidar com águas residuais do mundo real, resistir à corrosão química e manter o alto desempenho ao longo de muitos usos sugere que ela pode ser uma ferramenta prática para a limpeza de derramamentos de óleo e tratamento de efluentes industriais. O trabalho destaca como a combinação de uma estrutura rígida e porosa com um revestimento flexível e repelente à água pode criar um material que é muito mais eficaz do que a soma de suas partes, oferecendo uma nova maneira de enfrentar um dos desafios mais persistentes na limpeza ambiental.