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

Resumo Técnico: Design e Construção de Papel de Celulose Super-hidrofóbico Funcionalizado com CuS

Definição do Problema
O artigo aborda as crescentes ameaças ambientais causadas por derramamentos de óleo frequentes e descargas descontroladas de águas residuais oleosas, que colocam em risco ecossistemas e a saúde humana. Embora métodos de tratamento convencionais (ex: separação por skimming, biorremediação) existam, eles frequentemente sofrem com complexidade operacional, alta demanda de energia e escalabilidade limitada. Embora superfícies super-hidrofóbicas (SHSs) ofereçam uma alternativa promissora para a separação óleo/água, sua aplicação prática é frequentemente dificultada pela insuficiência de estabilidade mecânica, altos custos de fabricação e pela tendência de nanopartículas funcionais (como agentes fototérmicos) de se desprenderem dos substratos. Além disso, materiais existentes muitas vezes carecem de funcionalidades integradas, tais como atividade antimicrobiana impulsionada por fototermia e capacidades anti-/degelo, que são cruciais para a operação em ambientes severos de baixa temperatura.

Metodologia
Para enfrentar esses desafios, os autores projetaram e fabricaram um papel de celulose (CP) multifuncional super-hidrofóbico funcionalizado com sulfeto de cobre (CuS). O processo de fabricação envolveu uma estratégia de modificação de múltiplas etapas:

1. Preparação do Substrato: Papel de celulose comercial (CP) serviu como a base ecológica e renovável.
2. Revestimento de PDA: Para resolver o problema do contato interfacial fraco entre o CuS e a celulose, um revestimento de polidopamina (PDA) foi aplicado via polimerização oxidativa espontânea da dopamina. Este atuou como uma camada adesiva robusta inspirada em proteínas de mexilhões.
3. Deposição de CuS: Nanopartículas de CuS foram sintetizadas via método hidrotérmico e, subsequentemente, revestidas in-situ no papel modificado com PDA. A camada de PDA facilitou a forte adesão entre as partículas de CuS e as fibras de celulose.
4. Modificação Hidrofóbica: O compósito foi imerso em uma solução de octadecilamina (ODA). Os hidrocarbonetos de cadeia longa da ODA reduziram a energia superficial, completando a transição para um estado super-hidrofóbico.

O material resultante, designado como CP/PDA/CuS/ODA, foi caracterizado usando SEM, XRD, FTIR e medições de ângulo de contato. Seu desempenho foi avaliado através de testes de separação óleo/água, avaliações de durabilidade (mecânica, química, térmica e UV), testes de antifouling/autolimpeza e avaliações fototérmicas (incluindo capacidades antimicrobianas e anti-/degelo).

Principais Contribuições e Resultados

• Super-hidrofobicidade e Superoleofilicidade: O papel modificado exibiu um ângulo de contato com a água (WCA) de 156,4° e um ângulo de contato com o óleo (OCA) virtualmente zero. Esta molhabilidade foi atribuída ao efeito sinérgico da rugosidade micro/nano hierárquica fornecida pelos aglomerados de PDA/CuS e à baixa energia superficial do revestimento de ODA.
• Separação Óleo/Água: O material demonstrou separação contínua eficiente por gravidade de várias misturas óleo/água (incluindo ciclohexano, éter de petróleo, n-hexano, diclorometano, clorofórmio e tetracloreto de carbono).
  • Eficiência: As eficiências de separação excederam 99,35% para todas as misturas testadas.
  • Fluxo: Altos fluxos de permeação foram alcançados (variando de ~8443 a ~10034 L m⁻² h⁻¹) sem pressão externa.
  • Capacidade de Absorção: O papel mostrou altas capacidades de absorção de óleo (7,68–21,92 g/g) para vários solventes orgânicos e óleos.
  • Reutilização: O desempenho de separação permaneceu estável ao longo de 10–20 ciclos.
• Durabilidade: O material exibiu robustez excepcional, mantendo a super-hidrofobicidade (WCA > 150°) após:
  • 100 ciclos de remoção com fita adesiva.
  • 100 ciclos de dobra.
  • 10 ciclos de abrasão com lixa.
  • Exposição a soluções ácidas (pH 1) e alcalinas (pH 12), salmoura (até 5 % em peso de NaCl), irradiação UV (12 h) e tratamento térmico (até 100 °C).
  • Armazenamento de longo prazo (5 semanas) sob condições ambientes.
• Antifouling e Autolimpeza: A superfície resistiu à contaminação de vários poluentes líquidos (suco de uva, cola, soluções de corante) e contaminantes sólidos (pó de giz). Gotas de água rolaram pela superfície, carregando a sujeira, demonstrando autolimpeza eficaz.
• Desempenho Fototérmico: Aproveitando a capacidade de conversão fototérmica do CuS e do PDA:
  • Sob irradiação solar de 1,0 kW m⁻², a temperatura da superfície atingiu aproximadamente 74,3–78,6 °C em 60 segundos.
  • O material mostrou excelente estabilidade fototérmica ao longo de 10 ciclos de ligar/desligar da luz.
• Atividade Antimicrobiana Fototérmica: Sob irradiação luminosa, o material inativou eficientemente tanto bactérias Gram-positivas (S. aureus) quanto Gram-negativas (E. coli), enquanto o material no escuro não apresentou efeito bactericida significativo.
• Anti-gelo e Degelo:
  • Anti-gelo: A irradiação solar estendeu o tempo de congelamento das gotas de água em aproximadamente 124,7% comparado às condições sem irradiação.
  • Degelo: O tempo necessário para derreter o gelo pré-formado foi reduzido em aproximadamente 80,8% sob irradiação solar em comparação com as condições de escuridão.

Significância
O artigo afirma que o papel de celulose super-hidrofóbico funcionalizado com CuS fabricado oferece uma plataforma versátil e superior para remediação ambiental. Ao integrar a separação eficiente de óleo/água com funcionalidades antimicrobianas e anti-/degelo impulsionadas por fototermia, o material aborda limitações críticas dos materiais super-hidrofóbicos atuais, especificamente no que diz respeito à durabilidade e ao desempenho em ambientes de baixa temperatura ou contaminados. Os autores postulam que este design fornece um novo caminho para realizar a absorção de óleo eficiente e a purificação da água mesmo sob condições severas, tornando-o altamente promissor para aplicações industriais realistas em remediação de derramamentos de óleo e tratamento de água. O uso de celulose abundante e renovável e de componentes de baixo custo e não tóxicos apoia ainda mais seu potencial para implementação em escala.