Επιφανειακή τροποποίηση μεταλλικών αφρών ανοικτού-κελιού για χρήση τους σε περιβαλλοντικές και βιομηχανικές εφαρμογές

Abstract

This study addresses the significant challenge of marine pollution, recognized as one of the most critical environmental problems. Traditional cleaning methods often fail to provide effective solutions due to various disadvantages, such as complex and time-consuming application processes, the requirement for specialized personnel, high maintenance costs and others. The present research work proposes the development of an innovative hydrophobic coating on copper foams, which can serve as an alternative and more efficient method for marine depollution. While previous research has explored the production of hydrophobic porous materials, the commonly used techniques, such as electrospinning, chemical and physical vapor deposition, or laser-assisted methods, are associated with high equipment costs, substantial energy consumption, complex multistep processes and the use of harmful substances. The production process for hydrophobic foams analyzed in this study involves small amounts of chemicals, reduces costs, employs simple equipment and consists of a few steps. The development of the hydrophobic coating included the creation of micro-roughness on the surface by immersing the samples in a silver nitrate solution, followed by lowering the surface energy through immersion in a stearic acid solution. The copper foams used had two levels of substrate roughness to thoroughly investigate the influence of this factor on the morphology of the coating. Contact angles of 180°, significantly higher than those reported in most studies, were achieved. Using scanning electron microscopy (SEM) and spectroscopic methods, the different coating morphologies on rough and smooth substrates were analyzed. A series of tests were conducted to evaluate the properties of the hydrophobic coating, including thermal and chemical stress tests. The samples were exposed to high (100°C) and low (-15°C) temperatures, as well as immersion in distilled water, sodium chloride solutions (3.5 wt%), hydrochloric acid and sodium hydroxide solutions for various durations. The coatings maintained their stability and hydrophobic properties. Additionally, the foam's separation efficiency was tested using oils with different viscosities, including petroleum and hexane, achieving very high separation rates. The mechanical durability of the coating was also significant, as the superhydrophobic foams demonstrated high stability under mechanical stress tests. Finally, a comprehensive study of the corrosion behavior was conducted using potentiodynamic polarization tests and electrochemical impedance spectroscopy in distilled water and a 3.5 wt% sodium chloride solution for up to 120 hours. In all cases, the coating reduced corrosion current values, improving the foam's resistance. Equivalent electrical circuits were proposed to comprehensively study the foams' corrosion resistance. Overall, this study aims to contribute to the discussion on innovative depollution methods and proposes practical solutions that could be integrated into existing strategies for the protection of marine environments and the restoration of marine ecosystems.

Η παρούσα μελέτη εξετάζει τη σημαντική πρόκληση της θαλάσσιας ρύπανσης, η οποία αναγνωρίζεται ως ένα από τα πιο σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα. Οι παραδοσιακές μέθοδοι καθαρισμού, λόγω πολλών μειονεκτημάτων, όπως οι πολύπλοκες και χρονοβόρες διαδικασίες εφαρμογής, η ανάγκη χρήσης τους από εξειδικευμένο προσωπικό, το υψηλό κόστος συντήρησης κλπ., συχνά αποτυγχάνουν να παράσχουν τις επιθυμητές λύσεις. Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα εργασία προτείνει την ανάπτυξη μιας καινοτόμου υδρόφοβης επικάλυψης σε αφρούς χαλκού, η οποία μπορεί να αποτελέσει μια εναλλακτική και πιο αποδοτική μέθοδο για την απορρύπανση των θαλασσών. Παρόλο που στη βιβλιογραφία υπάρχουν έρευνες που περιλαμβάνουν την παραγωγή υδρόφοβων πορωδών υλικών, οι τεχνικές που χρησιμοποιούνται συνήθως, όπως η ηλεκτροϊνοποίηση, η χημική και φυσική εναπόθεση ατμών ή μέθοδοι που περιλαμβάνουν χρήση λέιζερ, έχουν υψηλό κόστος εξοπλισμού, καταναλώνουν υψηλά ποσά ηλεκτρικής ενέργειας, αποτελούνται από πολλά και πολύπλοκα στάδια και χρησιμοποιούν βλαβερές ουσίες. Η διαδικασία παραγωγής υδρόφοβων αφρών που αναλύθηκε σε αυτή την εργασία, περιλαμβάνει τη χρήση μικρών ποσοτήτων χημικών ουσιών μειώνοντας το κόστος, χρησιμοποιεί απλό εξοπλισμό και αποτελείται από λίγα και απλά βήματα. Η ανάπτυξη της συγκεκριμένης υδρόφοβης επικάλυψης περιλαμβάνει την ανάπτυξη μικροτραχύτητας στην επιφάνεια, η οποία έγινε με την βύθιση των δειγμάτων σε διάλυμα νιτρικού αργύρου και τη μείωση της επιφανειακής ενέργειας με την εμβάπτιση σε διάλυμα στεατικού οξέος. Οι αφροί χαλκού που χρησιμοποιήθηκαν, είχαν δύο βαθμούς τραχύτητας υποστρώματος, ώστε να ερευνηθεί σε βάθος η επίδραση και αυτού του παράγοντα στην μορφολογία της επικάλυψης. Επετεύχθησαν γωνίες επαφής 180°, οι οποίες είναι πολύ μεγαλύτερες από αυτές που περιλαμβάνονται στις περισσότερες έρευνες. Με τη χρήση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) και μεθόδων φασματοσκοπίας, αναλύθηκαν οι διαφορετικές μορφολογίες της επικάλυψης στο τραχύ και στο λείο υπόστρωμα. Για τον έλεγχο των ιδιοτήτων της υδρόφοβης επικάλυψης, διεξήχθη σειρά ελέγχων, όπως θερμική και χημική καταπόνηση με την έκθεση των δειγμάτων σε υψηλές (100°C) και χαμηλές θερμοκρασίες (-15°C), καθώς και με τη βύθιση σε απεσταγμένο νερό και διαλύματα χλωριούχου νατρίου (3.5% κ.β.), υδροχλωρικού οξέος και υδροξειδίου του νατρίου, για διάφορα χρονικά διαστήματα, διατηρώντας τη σταθερότητα και τις υδρόφοβες ιδιότητές τους. Επιπλέον ελέγχθηκε, η ικανότητα διαχωρισμού των αφρών, με τη χρήση ελαίων με διαφορετικά ιξώδη, πετρελαίου και εξανίου, με πολύ υψηλά ποσοστά διαχωρισμού. Σημαντικός ήταν και ο έλεγχος της μηχανικής ανθεκτικότητας της επικάλυψης, όπου οι υπερυδρόφοβοι αφροί επέδειξαν υψηλή σταθερότητα. Τέλος, έγινε διεξοδική μελέτη της συμπεριφοράς σε διάβρωση με τη χρήση δοκιμών ποτενσιοδυναμικής πόλωσης και ηλεκτροχημικής φασματοσκοπίας εμπέδησης, σε απεσταγμένο νερο και σε διάλυμα χλωριούχου νατρίου (3.5% κ.β.), για διάφορα χρονικά διαστήματα έως και 120 ώρες. Σε όλες τις περιπτώσεις παρατηρήθηκε ότι η επικάλυψη προκάλεσε μείωση στις τιμές των ρευμάτων διάβρωσης, βελτιώνοντας την αντοχή των αφρών. Για την σφαιρική μελέτη της συμπεριφοράς των αφρών έναντι της διάβρωσης, προτάθηκαν ισοδύναμα ηλεκτρικά κυκλώματα. Συνολικά, η μελέτη αυτή επιδιώκει να συμβάλλει στη συζήτηση γύρω από την καινοτομία στις μεθόδους απορρύπανσης και να προτείνει πρακτικές λύσεις που θα μπορούσαν να ενσωματωθούν στις υπάρχουσες στρατηγικές για την προστασία των θαλασσών και την αποκατάσταση του θαλάσσιου περιβάλλοντος.