Dalam beberapa tahun terakhir, pemisahan minyak-air telah banyak diteliti untuk mengurangi pengaruh air limbah industri dan tumpahan minyak lepas pantai. Sebuah membran filter dengan keterbasahan khusus dapat mencapai pemisahan karena keterbasahan yang berlawanan untuk fase air dan fase minyak. Di bidang membran filter dengan keterbasahan khusus, membran filter logam berpori telah banyak diteliti karena terkait dengan efisiensi tinggi, portabilitas, plastisitas tinggi, stabilitas termal tinggi, dan biaya rendah. Artikel ini memberikan gambaran tentang kemajuan penelitian fabrikasi membran filter logam berpori dan membahas perkembangan masa depan di bidang ini.
Lingkungan perairan dan kesehatan manusia sangat terancam oleh tumpahan minyak lepas pantai dan air limbah industri yang berminyak [1,2,3,4,5]; oleh karena itu, banyak penelitian telah berfokus pada pengembangan metode pemisahan minyak-air yang efektif untuk pengendalian polusi dan pemulihan tumpahan minyak. Karena perbedaan sifat fisik seperti densitas dan konduktivitas fase minyak dan fase air, metode pemisahan minyak-air konvensional terutama mencakup sedimentasi gravitasi, sentrifugasi, pemisahan elektrolit, pemisahan adsorpsi [6], dan biodegradasi [7]. Namun, metode ini mahal dan agak tidak efisien karena tidak mencegah difusi minyak.
Dalam beberapa tahun terakhir, dengan kemajuan ilmu antarmuka dan bionik, membran filter dengan keterbasahan khusus telah menyediakan metode baru untuk pengolahan air limbah berminyak. Logam [8], polimer [9] dan serat [10] dengan berbagai konstituen kimia telah digunakan untuk membuat membran berpori dan berlapis-lapis. Membran filter dengan keterbasahan yang berlawanan dengan fase air dan fase minyak dapat membentuk penghalang cair dengan lebih suka menyerap fase tertentu. Berdasarkan keseimbangan antara tegangan antarmuka minyak-air dan gaya tembus dari fase cair yang dicegat, minyak dapat dipisahkan dari air. Dibandingkan dengan teknik pemisahan minyak-air konvensional, penggunaan membran filter dengan keterbasahan khusus melibatkan fabrikasi lebih mudah dan lebih efisien dan lebih mampu filtrasi serta pemulihan fase minyak dan fase air dari campuran minyak-air.
Karena biaya rendah, plastisitas tinggi, stabilitas termal tinggi dan sifat mekanik yang baik, bahan logam telah dipelajari dengan baik untuk digunakan sebagai membran filter dengan keterbasahan khusus untuk pemisahan minyak-air. Keterbasahan khusus ini dapat dicapai dengan melapisi membran dengan jaring logam dan logam berpori melalui metode fisik dan kimia. Pada tahun 2004, Feng dkk. [11] menyemprotkan hidrofobik polytetrafluoroethylene (PTFE) ke mesh stainless steel untuk membuat membran filter superhydrophobic-superoleophilic dan melaporkan bahwa jenis membran filter pertama kali diterapkan di bidang pemisahan minyak-air. Selanjutnya, banyak membran filter logam berpori dengan keterbasahan khusus, dibuat melalui pelapisan [12], oksidasi permukaan [13] dan modifikasi permukaan kimia [14], berhasil digunakan untuk pemisahan minyak-air. Makalah ini secara singkat memperkenalkan teori pemisahan minyak-air dari membran filter dengan keterbasahan khusus dan menganalisis fabrikasi, keuntungan dan kerugian dari membran filter logam berpori pemisahan minyak-air. Membran filter diklasifikasikan menjadi tiga jenis menurut sifatnya:membran filter dengan sifat superhidrofobik-superolefilik, dengan sifat superhidrofilik dan superoleofobik bawah air, dan dengan keterbasahan switchable hidrofilik. Selain itu, perkembangan masa depan di bidang ini dibahas.
Mekanisme pemisahan minyak-air oleh membran filter logam berpori dengan keterbasahan khusus adalah perilaku superwetting pada antarmuka kontak fase padat, fase air, dan fase minyak [15]. Karena ada keseimbangan antara tegangan antarmuka minyak-air dan daya permeasi dari fase cair yang dicegat, membran filter khusus ini dapat mencapai pemisahan selektif dalam campuran minyak-air. Oleh karena itu, membangun permukaan superwetting adalah proses kunci untuk pembuatan membran filter pemisahan minyak-air.
Kebasahan permukaan bahan permukaan dapat dicirikan oleh sudut kontak, dan faktor utama yang mempengaruhi keterbasahan bahan permukaan adalah energi permukaan dan kekasaran permukaan [16,17,18,19,20]. Pada permukaan halus ideal padatan di udara, sudut kontak dapat dinyatakan dengan persamaan Young [21]:
$$ \cos {\theta}_0=\left({\gamma}_{\mathrm{SA}}-{\gamma}_{\mathrm{SW}}\right)/{\gamma}_{\mathrm {WA}} $$Dalam persamaan ini, γ SA , γ WA dan γ SW mewakili energi bebas antarmuka antarmuka padat-udara, antarmuka cair-udara dan antarmuka padat-cair, masing-masing, yang ditentukan oleh konstituen kimia bahan permukaan. Jadi afinitas intrinsik dari permukaan padat halus yang ideal ke fase air atau fase minyak terutama ditentukan oleh energi permukaan bahan padat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a.
a Kondisi kontak permukaan padat halus yang ideal di udara dan tetesan. b Wenzel menyatakan [21] ketika tetesan bersentuhan dengan permukaan kasar. c Cassie-Baxter menyatakan [22] ketika tetesan bersentuhan dengan permukaan kasar
Pada tahun 1936 dan 1944, Wenzel et al. [22] dan Cassie et al. [23], masing-masing, memodifikasi persamaan Young untuk permukaan nyata dan mengusulkan bahwa infiltrasi cairan pada permukaan padat pada keadaan Wenzel [22] dan keadaan Cassie-Baxter [23] adalah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b, c. Faktor kekasaran permukaan r , rasio luas permukaan nyata terhadap proyeksi horizontalnya, dimasukkan ke dalam persamaan Young yang dimodifikasi untuk memperbesar afinitas permukaan padat terhadap cairan tertentu.
Dalam satuan luas yang diukur pada permukaan kasar, sebenarnya ada lebih banyak luas permukaan; oleh karena itu, untuk luas satuan terukur yang sama, terdapat intensitas energi permukaan yang lebih besar pada permukaan kasar daripada permukaan halus [22]. Oleh karena itu, faktor kekasaran permukaan r dapat dianggap sebagai faktor yang "memperbesar" afinitas permukaan padat terhadap cairan tertentu. Permukaan superwetting (superhydrophobic atau superhydrophilic) dapat dibuat secara artifisial dengan membangun mikro/struktur nano permukaan untuk memperbesar afinitas intrinsik zat terhadap cairan tertentu. Ketika permukaan hidrofobik atau oleofobik berada dalam keadaan Cassie-Baxter, udara di struktur mikro/nano antara tetesan dan antarmuka padat menyebabkan adhesi cairan yang rendah ke permukaan padat, yang dapat menghasilkan permukaan dengan aliran sendiri dan fungsi pembersihan sendiri.
Daun teratai menunjukkan sifat superhidrofobik karena kekasaran permukaannya yang disebabkan oleh struktur berlapis mikro/nano dan lilin epidermal [24, 25]. Terinspirasi oleh ini, konstruksi permukaan superhydrophobic telah menerima banyak perhatian dalam beberapa tahun terakhir, dan membran filter dengan sifat superhydrophobic-superoleophilic telah diproduksi [11, 14, 26,27,28,29,30,31,32,33]. Tegangan permukaan fase minyak biasanya lebih rendah dari fase air [34, 35]. Menurut persamaan Young, untuk membuat permukaan membran filter superhidrofobik-superoleofilik, energi permukaan bahan yang dipilih harus dijaga antara energi permukaan minyak (20–30 mN m −1 ) dan air (~ 72 mN m −1 ) [36], dan energi permukaan logam yang digunakan untuk membuat membran filter harus lebih tinggi [37] dan menunjukkan hidrofilisitas. Oleh karena itu, untuk memberikan permukaan membran filter dengan sifat superhidrofobik-superoleofilik, energi permukaan permukaan yang bersentuhan dengan fase cair perlu dikurangi melalui pelapisan atau modifikasi permukaan kimia dengan penutup mikro/struktur nano.
Ini mengacu pada pelapisan substrat membran dengan struktur mikro/nano yang kompleks yang menutupi dengan metode fisik atau kimia. Lapisan ini menggabungkan sifat hidrofobisitas intrinsik dan energi permukaan yang rendah dari bahan penyusunnya untuk menciptakan struktur permukaan mikro/nano yang sangat kasar; dengan demikian, permukaan membran filter dengan sifat superhidrofobik dan superoleofilik terbentuk pada substrat logam, seperti jaring logam. Saat ini, metode deposisi semprot [11, 38, 39], deposisi uap kimia [26], dan elektrodeposisi [40] berhasil diterapkan dalam fabrikasi membran filter superhydrophobic-superoleophilic.
Pada tahun 2004, Feng dkk. [11] mengadopsi metode deposisi semprot untuk mendepositkan lapisan PTFE pada permukaan jaring baja tahan karat untuk menyiapkan membran filter pemisahan minyak-air dengan sifat superhidrofobik dan superoleofilik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, dan menerapkan membran filter pembasahan khusus ini ke pemisahan minyak-air. Permukaan lapisan PTFE yang dihasilkan dengan metode di atas memiliki tonjolan sferis skala mikro dengan struktur kasar skala nano, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2b–d. Morfologi permukaan khusus ini memungkinkan permukaan membran filter memiliki kekasaran permukaan yang besar, memperbesar hidrofobisitas intrinsik PTFE dan memberikan karakteristik superhidrofobik-superoleofilik ke permukaan membran filter. Sementara itu, stabilitas dan ketahanan kimia PTFE yang baik memungkinkan membran filter mempertahankan struktur permukaan dan superhidrofobisitasnya dalam kondisi yang keras.
Scanning electron microscopy (SEM) gambar dari lapisan mesh film dibuat dari stainless steel mesh dengan diameter pori rata-rata sekitar 115 m [11]. a Tampilan area luas dari membran yang dilapisi [11]. b –d Tampilan struktur mikro permukaan membran yang diperbesar [11]
Teknik deposisi uap kimia dapat secara akurat mengontrol morfologi dan sifat lapisan sedimen dengan mengontrol proses deposisi doping gas dan memiliki aplikasi yang baik dalam fabrikasi permukaan superhidrofobik [26, 41]. Krik dkk. (2013) mendepositkan elastomer silikon pada mesh tembaga dengan deposisi uap kimia dan menghasilkan membran filter logam berpori dengan sifat superhidrofobik-superoleofilik [26]. Metode ini mudah dioperasikan dan memiliki fleksibilitas tinggi, karena hanya memerlukan pengendapan dan pelapisan elastomer silikon superhidrofobik pada permukaan substrat kompleks dengan ukuran berbeda.
Sejauh ini, hanya sedikit penelitian yang telah dilaporkan tentang pengaruh suhu pada pemisahan minyak-air. Peningkatan suhu mengakibatkan penurunan energi permukaan tetesan air, yang berarti cairan suhu tinggi membasahi permukaan lebih mudah daripada cairan suhu rendah [42]. Pada tahun 2018, Cao dkk. [39] mengembangkan mesh tembaga dengan lapisan superhydrophobic dengan deposisi semprot poliuretan dimodifikasi dan nanopartikel silika hidrofobik. Membran filter semacam ini dapat mempertahankan hidrofobisitas dan stabilitas mekanis yang baik dalam lingkungan air 100 °C dan memiliki prospek cerah dalam aplikasi industri.
Modifikasi permukaan kimia melibatkan peningkatan kekasaran permukaan substrat dengan mendekorasi dengan zat hidrofobik, sehingga memberi permukaan superhidrofobisitas. Terinspirasi oleh Mytilus edulis protein kaki 5 [43,44,45], Cao et al. [14] terkonjugasi n -dodecyl mercaptan (NDM) dan membran jaring baja tahan karat yang dilapisi dengan polidopamin perekat (PDA) melalui reaksi adisi Michael pada suhu kamar, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, untuk menyiapkan membran filter superhidrofobik-superoleofilik, yang berhasil mencapai pemisahan minyak-air . Keterbasahan mesh PDA-NDM ditunjukkan pada Gambar. 3c, d. Penulis memperkenalkan metode baru untuk mencapai pemisahan minyak-air, di mana sifat superhidrofobik-superoleofilik diberikan ke permukaan membran filter logam dengan menghias permukaan kasar substrat logam dengan gugus fungsi yang memiliki sifat hidrofilik dan oleofobik. Dengan prinsip yang sama, Zang et al. [27] memodifikasi permukaan mesh tembaga berpori yang ditumbuhkan CuO menggunakan perfluorodecyltriethoxysilane; Wang dkk. [28] menyepuh nanopartikel Cu pada mesh tembaga yang telah dibersihkan dan melakukan pencangkokan tiol; Kong dkk. [29] mendepositkan oksida tembaga pada jaring tembaga dan mewujudkan modifikasi permukaan menggunakan NDM. Dalam semua eksperimen ini, permukaan superhydrophobic-superoleophilic dibangun dan pemisahan minyak-air berhasil direalisasikan.
a Deskripsi skema persiapan film jaring baja tahan karat berlapis polidopamin (PDA) dan N -dodecyl mercaptan (NDM) dimodifikasi permukaan melalui reaksi adisi Michael [14]. b Tampilan perbesaran rendah dari mesh PDA–NDM dengan diameter rata-rata [14] sekitar 40 μm [14]. c Foto tetesan air (2 μL) pada mesh PDA–NDM dengan sudut kontak 143,8 ± 1,0° [14]. d Tetesan minyak diesel (2 μL) menyebar dan meresap dengan cepat pada jaring [14]
Metode elektroplating [29], elektrodeposisi [32] dan etsa kimia [33] telah digunakan untuk membangun struktur kasar skala mikro atau nano, tetapi untuk mengurangi energi permukaan, metode ini memerlukan modifikasi reagen seperti silan yang mengandung fluor, alkil merkaptan, dan asam laurat. , yang berbahaya bagi lingkungan; membran filter yang dimodifikasi dapat menyebabkan polusi sekunder pada air. Oleh karena itu, modifikasi permukaan kimia menguntungkan karena memberikan energi permukaan yang rendah mengikuti prosedur yang ramah lingkungan.
Permukaan hidrofilik memiliki energi permukaan yang lebih tinggi daripada fase air, dan dengan demikian, biasanya menunjukkan oleofobisitas. Terinspirasi oleh sisik ikan, Liu et al. [46] mengembangkan antarmuka air/padat superoleophobic dan berperekat rendah. Molekul air dapat terperangkap dalam mikro/struktur nano permukaan superhidrofilik bawah air karena permukaan hidrofilik menunjukkan oleofobisitas bawah air. Meningkatnya hidrofilisitas antarmuka meningkatkan oleofobisitas bawah air, sehingga permukaan superhidrofilik juga memiliki sifat superoleofobik bawah air. Mempertimbangkan fenomena ini, berbagai membran filter superhidrofilik dan superoleofobik bawah air telah dibuat dan diterapkan untuk pemisahan minyak-air.
Dalam membran filter superoleophobic superhydrophilic-underwater, air melekat pada permukaan membran untuk membentuk penghalang cairan oleophobic, yang mencegah tetesan minyak merembes melalui, sehingga mewujudkan pemisahan minyak-air [36]. Sebagai hasil dari oleophobicity bawah air dan adhesi yang rendah pada minyak, bahan superhydrophilic memiliki sifat antifouling bawah air yang sangat baik sehingga masalah pori-pori filter yang tersumbat oleh minyak dapat dihindari [47]. Namun, karena adhesi polutan organik dengan energi permukaan rendah, superhidrofilisitas membran jenis ini secara bertahap akan menurun, yang akibatnya mempengaruhi kemampuan pemisahan minyak-air.
Bahan logam, polimer makromolekul dan bahan non-logam anorganik semuanya diterapkan dalam pembuatan membran filter logam berpori superhidrofilik-bawah air superoleophobic. Metode fabrikasi khusus meliputi pelapisan dan oksidasi.
Metode pelapisan yang diterapkan pada membran filter superoleophobic superhidrofilik-bawah air meliputi pelapisan semprot [48,49,50,51], pelapisan celup [12, 52], pelapisan lapis demi lapis (LBL) [53,54,55], pertumbuhan kimia [56] dan elektrodeposisi [57]. Dengan menggunakan metode ini, permukaan substrat (biasanya kasa baja tahan karat atau kasa tembaga) ditutupi dengan lapisan superoleofobik superhidrofilik-bawah air.
Hidrogel banyak digunakan dalam pemisahan minyak-air karena superhydrophilicity yang sangat baik dan sifat anti-fouling yang baik [12, 58,59,60,61,62,63]. Xue dkk. [12] pertama kali menciptakan membran filter logam berpori superhidrofilik-bawah air superoleophobic dengan melapisi mesh stainless steel dengan hidrogel poliakrilamida seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4. Membran filter ini memiliki sifat oleophobic yang baik dan mudah digunakan kembali. Selain itu, hidrogel poliakrilamida adalah bahan yang bebas fluorida dan ramah lingkungan, dan dengan demikian, polusi sekunder akan dihindari selama pemisahan. Namun, lapisan polimer organik ini rentan terhadap hidrasi [64], dan degradasi bahan poliakrilamida membutuhkan kondisi eksternal yang ekstrim. Untuk menyiapkan membran filter pemisahan minyak-air yang dapat membersihkan sendiri dengan daya rekat minyak rendah di bawah air, Dai et al. [62] membuat jaring baja tahan karat berlapis guar gum hidrogel baru dengan sifat superhidrofilik dan superoleofobik bawah air melalui teknik pelapisan celup yang mudah dan efektif. Guar gum alami biodegradable digunakan sebagai bahan, dan membran filter yang disiapkan menunjukkan biokompatibilitas yang baik dan degradasi yang mudah.
a –c Gambar SEM dari mesh berlapis hidrogel PAM dibuat dari mesh stainless steel dengan diameter pori rata-rata sekitar 50 m [12]. d , e Studi pemisahan minyak / air dari mesh berlapis hidrogel PAM. Ukuran pori mata jaring sekitar 50 μm [12]
Lapisan LBL dapat secara akurat mengintegrasikan lapisan fungsional yang berbeda ke dalam lapisan tunggal yang sebagian besar disimpan pada permukaan struktur kompleks [54]. Zhang dkk. [54] menyiapkan jaring superoleophobic bawah air yang dapat membersihkan sendiri yang dapat digunakan untuk pemisahan minyak-air dengan perakitan LBL natrium silikat dan nanopartikel TiO2 pada jaring baja tahan karat. Karena adanya lapisan TiO2, polutan organik yang menempel pada filter mesh terdegradasi secara katalitik setelah penyinaran ultraviolet. Kemampuan TiO2 untuk menguraikan polutan organik setelah iradiasi ultraviolet telah berhasil digunakan dalam beberapa penelitian [8, 49, 54, 65, 66]. Hou dkk. (2017) menyiapkan membran filter stainless steel dengan superoleophobicity bawah air melalui perakitan LBL poli (diallyldimethylammonium chloride) (PDDA) dan halloysite nanotube (HNTs) pada mesh stainless steel [53], seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5. Baja tahan karat membran filter menunjukkan ketahanan kimia dan mekanik yang baik dan mencapai tingkat pemisahan minyak-air lebih dari 97%.
Ilustrasi skema dari proses perakitan LBL untuk fabrikasi mesh (PDDA/HNTs)n yang dihias [53]
Oksidasi mengacu pada pembentukan lapisan oksida logam dengan energi permukaan yang tinggi pada permukaan logam melalui reaksi oksidasi, memberikan permukaan membran filter dengan superhydrophilicity. Saat ini, oksidasi langsung [13, 65, 67], oksidasi elektrokimia [47, 55, 66, 68] dan oksidasi permukaan laser [8, 69] dapat digunakan untuk pembuatan membran filter superoleophobic superhydrophilic-underwater.
Feng dkk. [13] menyiapkan membran nanowire-haired melalui oksidasi permukaan mesh tembaga dalam larutan berair alkali dengan (NH4)2S2O8, dan membran nanowire-haired dengan Cu(OH)2 ini menunjukkan sifat superoleophobic superhydrophilic-underwater yang baik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6a. Dibandingkan dengan bahan pelapis membran filter organik, permukaan membran filter anorganik ini memiliki ketahanan alkali dan sifat antifouling yang lebih baik. Namun, struktur nano Cu(OH)2 akan hancur dalam larutan asam dan kehilangan kemampuan pemisahannya [67]. Zhuo dkk. [67] menggunakan metode di atas untuk membuat membran kawat nano dengan Cu(OH)2 dan kemudian merendamnya dalam larutan asam oksalat untuk membuat membran kawat nano dengan tembaga oksalat, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6b, c. Membran ini memiliki ketahanan asam yang lebih baik daripada membran berstruktur nano dengan Cu(OH)2.
a Ilustrasi skema pembasahan minyak pada membran nanowire dengan struktur mikro/nano-hierarki dalam air. [13]. b , c Gambar SEM jala tembaga yang dilapisi dengan nanoribbon CuC2O4 [67]
Metode oksidasi langsung, di mana lapisan hidrofilik dengan struktur nano khusus yang dihasilkan melalui oksidasi langsung dalam larutan tertentu, memiliki banyak kelemahan seperti bahaya reagen, kerasnya kondisi operasi dan kesulitan dalam mengendalikan proses reaksi. Sebaliknya, oksidasi anodik elektrokimia merupakan alternatif yang efektif untuk oksidasi langsung, karena melibatkan operasi sederhana dan biaya rendah, dan dapat digunakan untuk menumbuhkan struktur nano pada substrat yang luas [70]. Dengan metode ini, morfologi permukaan dan ketebalan lapisan oksida dapat dikontrol secara akurat [55] dengan mengubah larutan elektrolit, mengontrol rapat arus, suhu dan waktu reaksi. Melalui oksidasi anodik elektrokimia yang sederhana dan sangat efisien, Pi et al. (2017) menyiapkan Cu2 . superhidrofilik–bawah air superoleofobik Jaring tembaga berlapis S [47] dengan struktur unik seperti pelat melengkung, dan berhasil memisahkan campuran minyak-air. Membran memiliki adhesi minyak yang rendah, dan tidak seperti lapisan polimer, lapisan anorganik stabil dan tidak mudah membengkak dalam air. Zhuo dkk. [68] menggunakan oksidasi anodik elektrokimia, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, untuk menyiapkan lapisan hidrofilik CuWO4@Cu2O dengan struktur seperti kembang kol hierarkis pada substrat tembaga, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7b, c. Membran jenis ini juga mengkatalisis fotodegradasi polutan organik. Berbeda dari TiO2, lapisan hidrofilik CuWO4@Cu2O dapat mengkatalisis degradasi polutan organik dengan iradiasi cahaya tampak, yang sangat mengurangi kesulitan degradasi fotokatalitik polutan. Degradasi fotokatalitik polutan dalam air oleh fotokatalis yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 7d.
a Ilustrasi skema pertumbuhan CuWO4@Cu2O pada substrat tembaga dengan anodisasi [68]. b , c Morfologi dan struktur film CuWO4@Cu2O pada mesh tembaga [68]. d Kurva fotodegradasi polutan dalam air dengan menggunakan fotokatalis yang berbeda di bawah iradiasi cahaya tampak [68]
Dalam beberapa tahun terakhir, fenomena sputtering dan deposisi dalam pemrosesan laser telah menarik perhatian luas [71]. Permukaan logam dikenai tindakan laser, menghasilkan ablasi suhu tinggi dan plasma. Plasma diendapkan pada substrat logam untuk membentuk lapisan oksida dengan mikro/struktur nano yang kompleks, yang memberikan sifat superhidrofilik pada permukaan logam yang dilas. Ye dkk. (2016) fabrikasi membran filter titanium micronpore-array menggunakan pengeboran laser femtosecond [8]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8a–d, lapisan TiO2 dengan hidrofilisitas terbentuk pada permukaan membran dengan pemrosesan laser; dinding pori-pori mikrometer ditutupi dengan tonjolan skala mikro, dan tonjolan bergerigi terbentuk di antara pori-pori yang berdekatan. Struktur mikro ini meningkatkan kekasaran permukaan membran filter, yang memperkuat hidrofilisitas lapisan TiO2 di permukaan dan dengan demikian memberikan membran filter dengan superhidrofilisitas dan superoleofobisitas bawah air. Keterbasahan permukaan foil titanium setelah pengeboran laser ditunjukkan pada Gambar 8e, f. Karena adanya lapisan TiO2 dengan sifat semikonduktor, polutan organik yang menempel pada membran terdegradasi secara katalitik setelah penyinaran ultraviolet.
a –d Gambar SEM dari foil titanium ablasi yang dibuat dengan fluence laser 12,4 J/cm2 dan jarak lubang mikro 100 μm [8]. e Perilaku membasahi tetesan air pada permukaan foil titanium setelah pengeboran laser [8]. f Perilaku membasahi tetesan minyak bawah air pada permukaan foil titanium setelah pengeboran laser [8]
Ho dkk. [69] membuat membran filter micronpore-array tembaga menggunakan pengeboran laser femtosecond dan menciptakan membran filter superhydrophilic. Lokasi masuk dan lokasi keluar dari lubang yang dibuat menggunakan pemesinan sinar laser ditunjukkan pada Gambar. 9a, b. Karena tegangan permukaan air dan morfologi bergerigi annular khusus dari outlet mikropori, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 9c, garis kontak air-tembaga berakhir di outlet mikropori. Pemisahan minyak-air dapat diwujudkan berdasarkan perbedaan tekanan minyak dan air yang melewati susunan pori-pori mikro. Metode fabrikasi ini melibatkan penggunaan reagen kimia untuk modifikasi permukaan dan ramah lingkungan serta sederhana. Namun, tembaga mudah teroksidasi dan terkorosi oleh air laut untuk membentuk bahan seperti alkali tembaga klorida, tembaga sulfat alkali dan patina [72], yang merusak struktur permukaan membran dan mempengaruhi kemampuan pemisahan minyak-air.
Sebuah lubang dibuat menggunakan mesin sinar laser. a Lokasi pintu masuk. b Lokasi keluar. (Kondisi sinar laser adalah 500 μJ per pulsa, 20 kHz, dan 10 bidikan) [69]. c Lokasi garis kontak air pada lubang dengan bahan recast pada keadaan setimbang [69]
Karena oleophobicity bawah air dan adhesi minyak yang rendah, membran filter superhydrophilic-underwater superoleophobic memiliki kinerja anti-fouling bawah air yang baik, dan dengan demikian, pori-porinya tidak terhalang oleh minyak [47]. Namun, karena adhesi polutan organik dengan energi permukaan rendah, super-hidrofilisitas membran ini secara bertahap akan menurun, yang akan mempengaruhi kemampuan pemisahan minyak-air. Oleh karena itu, metode untuk membuat permukaan membran filter yang dapat membersihkan sendiri dan meningkatkan efisiensi pemisahan minyak-air dan umur membran filter adalah tantangan yang perlu dipecahkan dalam bidang penelitian membran filter superoleophobic superhydrophilic-underwater.
Di bidang pemisahan minyak-air, keterbasahan dapat menentukan permukaan di mana konversi filtrasi minyak atau filtrasi air yang dapat dikontrol diwujudkan pada perangkat membran filter tunggal, dan kemudian, perangkat pemisahan minyak-air yang cerdas dapat dibuat, yang memiliki baik prospek dalam aplikasi industri [73].
Para peneliti telah membangun membran filter yang dapat diganti dengan keterbasahan yang dapat diganti pada tekstil [74,75,76,77], bahan nanotube karbon [78] dan kertas saring [79] untuk mencapai pemisahan minyak dan air yang cerdas. Dalam studi membran filter logam berpori, Tian et al. [80] menyiapkan jaring baja tahan karat berlapis nanorod array ZnO dengan pendekatan solusi dua langkah, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10a-c. Membran filter pemisahan minyak-air fotokatalitik diperoleh. Setelah iradiasi ultraviolet, membran menunjukkan sifat superoleophobic superhydrophilic-underwater, yang mencegah minyak dalam campuran minyak-air melewati mesh filter. Setelah disimpan dalam kegelapan selama 7 hari atau dalam atmosfer oksigen selama 2 jam, membran dapat memperoleh kembali superhidrofobisitas-superoleofobisitas bawah air, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 10d, e. Yan dkk. [81] juga menggunakan keterbasahan switchable bahan ZnO dalam drive optik untuk membuat membran filter pemisahan minyak-air yang diinduksi foto dengan menyemprotkan nanopartikel ZnO hidrofobik dan campuran poliuretan yang ditularkan melalui air. Dengan metode sederhana ini, membran dapat mencapai keterbasahan yang dapat dialihkan melalui penyinaran ultraviolet alternatif dan perlakuan panas. Yi dkk. (2018) mengembangkan lapisan tipis perak pada mesh tembaga melalui reaksi perpindahan tunggal, dan kemudian membuat membran filter dengan keterbasahan khusus dalam konversi katalitik sinar ultraviolet [82]. The membrane obtained super-hydrophobic properties after heat treatment and superhydrophilic–underwater superoleophobic properties after ultraviolet irradiation.
a –c Schematic diagrams of the SEM images of as-prepared aligned ZnO nanorod array-coated stainless steel mesh films [80]. d Photographs of a water droplet on the coated mesh film after dark storage (left) and under UV irradiation (middle) in air with contact angles of ~ 155° and ~ 0°, respectively [80]. e Photographs of an oil droplet (1,2-dichloroethane) on the mesh film in air (left) and underwater (middle) with contact angles of ~ 0° and ~ 156°, respectively [80]
Cheng dkk. [83] prepared copper oxides with a micro/nano composite structure on a copper substrate by immersing the copper mesh into a compound solution of (NH4 )2 S2 O8 (0.1 M) and NaOH (2.5 M) for 12 h, and then used a mixed mercaptan solution of HS(CH2)9CH3 and HS(CH2)11OH to chemically modify the immersed surface, and finally prepared a water–oil separation filter membrane with controllable surface wettability. When the mole fraction of HS(CH2)11OH in the mixed mercaptan solution approached 0, the surface of the filter membrane exhibited superhydrophobic and superoleophilic properties, as shown in Fig. 11a, and the filter membrane allows only the oil in the oil–water mixture to pass through. When the mole fraction of HS(CH2)11OH was close to 1, the surface of the filter membrane showed superhydrophilic–underwater superoleophobic properties, as shown in Fig. 11b, and the filter membrane allows only the water in the oil–water mixture to pass through. The superhydrophilicity-superoleophobicity of the membrane is due to its surface rough micro-morphology and the hydroxyl and alkyl functional groups introduced into its surface by the mixed mercaptan solution. Hydroxyl exhibits hydrophilicity, while alkyl exhibits hydrophobicity and oleophilicity. Changing the mole fraction of HS(CH2)11OH in the mixed mercaptan solution results in a change in the ratio of the hydroxyl groups to alkyl groups on the membrane surface and consequently alters the affinity of filter membrane surface to water and oil.
Schematic illustration of underwater oil wettability on the obtained surfaces:for surfaces prepared with XOH ≤ 0.2, the surfaces are mainly covered by the hydrophobic and oleophilic methyl groups; thus the oil droplet can enter into the microstructures, and the surface would show underwater superoleophilicity (a ). For the surface prepared with XOH ≥ 0.6, the presence of many hydroxyl groups increases the hydrophilicity of the surface, and water can enter into the microstructures; the oil droplet would reside in the composite Cassie state, and the surface would show superoleophobicity (b ) [83]
The pre-wetting of oil–water separation filter membranes exploits the strong affinity of the membrane surface for water and oil to achieve surface hydrophobic and oleophobic conversions as well as an intelligent separation of the oil–water mixture. Li dkk. [84] exploited the hydrophilicity of starch, cellulose and pectin in waste potato residue powders and the ability to absorb oil; they sprayed a mixture of waste potato residue and waterborne polyurethane on a stainless steel mesh to fabricate a superoleophobic or superhydrophobic oil–water separation filter membrane catalysed by pre-wetting with water or oil. When the filter membrane is pre-wetted by water, the surface of the membrane acquires underwater super oleophobicity and will allow only water through the filter membrane, as shown in Fig. 12a, b. When the filter membrane is pre-wetted by oil, the surface of the membrane acquires super-hydrophobicity under the oil and would allow only oil to pass through the filter membrane, as shown in Fig. 12a, c.
a Schematic illustration of the selective separation of oil/water mixtures. PCRM means potato residue coated-mesh. b Separation of kerosene–water mixtures (where ρwate r > ρoil ). c Separation of chloroform–water mixtures (where ρwater < ρoil ) (the water was dyed with methylene blue and oil is dyed with Oil Red O to enhance the visual effect) [84]
In summary, existing oil–water separation porous metal filter membranes can utilise the special wettability of the membrane surface to separate an oil–water mixture and has advantages such as high efficiency, portability, high plasticity, high thermal stability, good mechanical property and low cost. However, there are some aspects where these filter membranes need improvement for effective treatments of industrial wastewater and offshore crude oil spills. First, the environmental adaptability of the filter membranes needs to be enhanced and its working stability in extreme conditions, such as strong acid and alkali, high-concentration salt solution and corrosive liquid, needs to be strengthened, and its mechanical strength should be improved to adapt to the real environment. In addition, the material and modification reagents for fabricating the filter membrane need to be eco-friendly during fabrication and application processes. Furthermore, the fabricating process should be simple, and the manufacturing cost should be reasonable to meet the needs of large-scale production. 3D printing technology has shown outstanding advantages, such as waste minimization, freedom of design, mass customization and the ability to manufacture complex structures [85]. Biomimetic super-hydrophobic structure [86] and superhydrophobic PLA membrane [87] have been printed for oil-water separation. Those results show that 3D printing technology made fabrication process of complex micro-nano structure become easier. Based on this technology, oil-water separation membrane with higher efficient can be gotten in the future. Finally, when the oil–water mixture is in an emulsion state, the filter membrane needs to maintain the oil–water separation capability. An oil–water mixed emulsion is generally defined as oil–water dispersion [88] with a droplet diameter of less than 20 μm, and existing studies of oil–water separation by porous metal filter membranes rarely report the separating conditions for a mixed liquid in an emulsion state. Jiang dkk. [52] prepared a superhydrophilic–underwater superoleophobic stainless steel mesh that can preliminarily separate oil–water mixed emulsions using a one-step solution coating method with methyltrimethoxysilane, but this filter membrane cannot completely separate oil–water mixture emulsions, since the apertures of many existing oil–water separation porous metal filter membranes are too large. This remains an urgent challenge in the field of oil–water separation by porous metal filter membranes that need to be solved.
Halloysite nanotubes
Layer-by-layer
T -Dodecyl mercaptan
Polydopamine
Poly (diallyldimethylammonium chloride)
Polytetrafluoroethylene
bahan nano
Pada akhir abad ke-15, Leonardo Da Vinci membuat sketsa rolling mill sederhana yang menunjukkan kemungkinan membengkokkan lembaran logam. Namun, baru pada tahun 1590 sketsa ini menjadi kenyataan ketika pekerja logam mulai menggunakan dua silinder berat untuk menekan logam, mengubah ketebalan dan ben
Anodisasi dan pelapisan kromat adalah cara yang bagus untuk melindungi komponen mesin aluminium atau titanium atau lembaran logam Anda dari keausan umum dan korosi. Anda juga dapat melindungi baja, baja tahan karat, tembaga, dan lainnya, tetapi aluminium dan titanium adalah bahan yang paling umum. D
Meskipun orang mungkin tidak menganggap Lima, Ohio sebagai kota dengan industri yang berkembang pesat, ada beberapa perusahaan manufaktur di kota yang memasok pekerjaan dan layanan yang sangat dibutuhkan ke wilayah Ohio yang lebih luas. Dua perusahaan ini bekerja keras untuk memasok pekerjaan logam
Ada beberapa faktor dalam membuat tangki penyimpanan khusus. Toko fabrikasi logam yang Anda pilih ingin mengetahui penggunaan akhir yang diinginkan dari proyek Anda, dimensi dan fitur yang diperlukan, tetapi juga kualitas baja yang tepat untuk digunakan dalam proyek tersebut. Saat Anda membutuhkan f
