Die große Anzahl von ölhaltigen Abwässern und Ölverschmutzungen bringt ernsthafte Bedrohungen für die Umwelt und die menschliche Gesundheit mit sich. Entsprechend dieser Herausforderung wurden eine Reihe von funktionellen Materialien entwickelt und in der Öl-Wasser-Trennung als Ölbarrieren oder Ölsorbentien eingesetzt. Diese Materialien können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden, nämlich künstlich und natürlich.
Natürliche Materialien wie grüne Biomaterialien sind im Allgemeinen kostengünstig und reich an biologischer Abbaubarkeit, die auch als vielversprechende Alternativen für die Öl-Wasser-Trennung angesehen werden und zunehmend Beachtung finden. Viele Arten von Biomassematerialien wie Baumwollstoffe, Pflanzenfasern und Kapoks wurden für die Öl-Wasser-Trennung verwendet.
Um die Öl-Wasser-Trennleistung von Biomassematerialien weiter zu verbessern, wurden viele von ihnen künstlich mit einer Funktionsschicht mit spezieller Benetzbarkeit auf ihrer Oberfläche beschichtet. Diese modifizierten Flachsfasern haben jedoch lediglich entweder hydrophobe oder hydrophile Eigenschaften, ohne die Fähigkeit, zwischeneinander umzuschalten (oder umschaltbare Benetzbarkeit). Eine solche Einschränkung kann ihre praktischen Anwendungen bei der Öl-Wasser-Trennung behindern. Funktionelle Flachsfasern mit schaltbarer Oberflächenbenetzbarkeit sind daher erwünscht.
In dieser Studie zielten die Forscher der University of Calgary, der University of Regina, der Concordia University, der Canadian Light Source und McElhanney Inc. darauf ab, eine funktionelle Flachsfaser mit schaltbarer Benetzbarkeit für die Mehrzweck-Öl-Wasser-Trennung zu entwickeln. Die Flachsfaser wurde mit ZnO-Hexadecyltrimethoxysilan (HDTMS)-Nanokompositen durch eine plasmagepfropfte Poly(acrylsäure) (PAA)-Schicht beschichtet, die als Bindemittel fungierte.
Die so hergestellte PAA-ZnO-HDTMS-Flachsfaser war anfangs hydrophob und konnte durch UV-Bestrahlung hydrophil geschaltet werden. Seine Hydrophobizität konnte leicht wiederhergestellt werden, indem es mehrere Tage lang ohne UV-Bestrahlung in einer dunklen Umgebung gelagert wurde. Diese Studie mit dem Titel „Funktionale Flachsfaser mit UV-induzierter schaltbarer Benetzbarkeit für die Mehrzweck-Öl-Wasser-Trennung“ ist veröffentlicht in Grenzen der Umweltwissenschaften und -technik.
Um die Leistung der PAA-ZnO-HDTMS-Flachsfaser zu optimieren, wurden die Auswirkungen der ZnO- und HDTMS-Konzentrationen auf ihre schaltbare Benetzbarkeit untersucht. Die entwickelte PAA-ZnO-HDTMS-Flachsfaser wurde umfassend durch Kontaktwinkelmessung, SEM-Bildgebung und Synchrotron-basierte FTIR- und Röntgenanalysen charakterisiert.
Die optimierte PAA-ZnO-HDTMS-Flachsfaser hatte anfänglich einen großen Wasserkontaktwinkel (~130°) in Luft und einen extrem kleinen Ölkontaktwinkel (~0°) unter Wasser. Nach der UV-Behandlung wurde der Wasserkontaktwinkel auf 30° verringert, während der Unterwasser-Ölkontaktwinkel auf mehr als 150° erhöht wurde.
Der Mechanismus der erworbenen UV-induzierten schaltbaren Benetzbarkeit wurde untersucht. Es konnte geschlussfolgert werden, dass die auf der Flachsfaseroberfläche immobilisierten ZnO-HDTMS-Nanokomposite die UV-induzierte schaltbare Benetzbarkeit der so hergestellten PAA-ZnO-HDTMS-Flachsfaser verliehen. Während des Modifikationsprozesses wurden die Silanolgruppen von HDTMS mit Hydroxylgruppen auf den Oberflächen von Flachsfasern und ZnO-NPs verbunden.
Somit wurden die Alkylgruppen von HDTMS auf der Oberfläche der frischen PAA-ZnO-HDTMS-Flachsfaser freigelegt, wodurch die Flachsfaser hydrophobe Eigenschaften aufwies. Nano-ZnO als photoresponsives Halbleitermaterial, auf dessen Oberfläche bei UV-Bestrahlung Elektron-Loch-Paare erzeugt werden konnten. Diese Löcher könnten mit dem Gittersauerstoff von Nano-ZnO interagieren, um Sauerstoffleerstellen zu erzeugen, die dann das umgebende Wasser in der Atmosphäre adsorbieren könnten, um Hydroxylgruppen zu erzeugen.
Diese Hydroxylgruppen veränderten die Oberflächeneigenschaft der modifizierten Flachsfaser von Hydrophobie zu Hydrophilie. Wenn die PAA-ZnOHDTMS-Flachsfasern in einer dunklen Umgebung gelagert wurden, konnte Umgebungssauerstoff die Hydroxylgruppen ersetzen, wodurch die Flachsfaseroberfläche wieder von hydrophil zu hydrophob umgewandelt wurde.
Basierend auf dieser UV-induzierten schaltbaren Benetzbarkeit wurde die entwickelte PAA-ZnO-HDTMS-Flachsfaser angewendet, um Öl aus nicht mischbaren Öl-Wasser-Mischungen und Öl-in-Wasser-Emulsionen mit hervorragender Wiederverwendbarkeit für mehrere Zyklen zu entfernen. Somit könnte die entwickelte Flachsfaser zu einer Ölbarriere oder einem Ölsorptionsmittel für die Öl-Wasser-Trennung weiterverarbeitet werden, was eine umweltfreundliche Alternative bei der Bekämpfung von Ölverschmutzungen und der Behandlung von ölhaltigem Abwasser darstellen könnte.
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Xiujuan Chen et al, Funktionelle Flachsfaser mit UV-induzierter schaltbarer Benetzbarkeit für die Mehrzweck-Öl-Wasser-Trennung, Grenzen der Umweltwissenschaften und -technik (2022). DOI: 10.1007/s11783-022-1588-6
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