Evaluación de la humectabilidad de fibras individuales mediante tensiometría.

Con el rápido desarrollo de la economía y la sociedad, la contaminación, como la descarga de solventes orgánicos o emulsiones agua/aceite, afecta seriamente nuestro entorno ecológico y la salud humana. La generación de vapor solar, como uno de los métodos más eficientes de purificación, ha atraído cada vez más atención para la purificación de aguas marinas y residuales. Sin embargo, la mayoría de los materiales fotoquímicos son físicoquímicamente inestables en presencia de solventes orgánicos.
Esta limitación impulsa la investigación de materiales fototérmicos con estabilidad a largo plazo y buena resistencia a solventes orgánicos o agua salada, que también tengan la capacidad de bombear agua o solventes durante el proceso de purificación.

Hasta ahora, las fibras de carbono comerciales han captado la atención de los científicos debido a las siguientes ventajas: alta resistencia mecánica, excelente resistencia química, estabilidad térmica y ligereza. Notablemente, las fibras de carbono poseen la fuerza capilar suficiente para bombear agua o solventes durante el proceso de purificación. Desafortunadamente, tienen una absorción solar extremadamente baja y una absorción de solventes polares debido a su superficie densa y baja contribución polar a la energía superficial.

Para mejorar su afinidad por los solventes, Tiantian Li y colaboradores recientemente han informado sobre un método de carbonización hidrotérmica para fabricar fibras de carbono con una estructura rugosa y un alto grado de grupos funcionales polares en la superficie para aumentar la mojabilidad. En este trabajo, los investigadores fabricaron capas de carbono hidrotérmico mediante la introducción de múltiples grupos funcionales en la superficie, como se muestra en la Imagen 1.

Primero, trataron las fibras de carbono mediante carbonización hidrotérmica de glucosa con diferentes concentraciones (1.5 % en peso, 3 % en peso) a 200 °C, y produjeron materiales denominados CF-1.5 y CF-3, respectivamente. Las fibras de carbono prístinas, utilizadas como grupo de control, fueron denominadas CF-0. Después de que la glucosa se deshidratara, polimerizara y condensara, las macromoléculas anfifílicas aromáticas con grupos carboxilo, carbonilo e hidroxilo formarían micelas y se adherirían a la superficie de las fibras de carbono mediante interacciones hidrofóbicas (Imagen 1).

Imagen 1: Procedimiento de carbonización hidrotermal de fibra de carbono.

Después del tratamiento, la superficie pulcra y lisa (CF-0) cambiaría a superficies rugosas y difusas (CF-1.5 y CF-3). Para el análisis de composición, las tres muestras contenían elementos de oxígeno y carbono. Sin embargo, la proporción de oxígeno/carbono y la cantidad de grupos C-O y C=O aumentarían después del tratamiento, lo que mejoraría considerablemente la mojabilidad del agua y la energía superficial polar de las fibras de carbono (Imagen 2).

Imagen 2: Humectabilidad del agua de una sola fibra y energía superficial polar para CF-0, CF-1.5 y CF-3.

Para estudiar más a fondo el efecto del tratamiento hidrotérmico en la mojabilidad del agua de fibras individuales y en la energía superficial polar, los investigadores llevaron a cabo mediciones utilizando dispositivos de medición de ángulo de contacto dinámico y el Tensiometer DCAT de DataPhysics Instruments. Los ángulos de contacto con el agua de CF-0, CF-1.5 y CF-3 fueron de 86.2°, 68.3° y 55.1° respectivamente, indicando que el ángulo de contacto con el agua disminuiría con el aumento de la concentración de glucosa. La energía superficial polar de CF-3 (19.85 mN/m) fue 12.4 veces mayor que la de CF-0 y 2.1 veces mayor que la de CF-1.5. En general, la introducción de grupos carboxilo (–COOH) y grupos hidroxilo (–OH) mejoró significativamente ambas propiedades.

Estudio de humectabilidad en la fibra individual

Se puede estudiar la humectabilidad de fibras individuales con un tensiómetro utilizando el método Wilhemly sumergiendo la fibra en el líquido de ensayo y elevando y bajando lentamente la muestra en él. Ésto provoca una humectación y deshumectación de la superficie de la fibra y la masa de la laminilla que forma son registradas por el tensiómetro. A estos datos de humectabilidad dinámica se puede acceder y evaluar a partir de los ángulos de contacto dinámicos. De estos ángulos de contacto dinámicos, también se puede calcular la energía libre superficial y la polaridad de la superficie.

El DCAT 25 y 25SF de DataPhysics Instruments son la elección ideal para mediciones de fibras individuales.

Además, los autores probaron la capacidad de absorción solar de las tres muestras. Debido a la superficie más rugosa, la capacidad de absorción de CF-3 (~93.0%) es la más alta (Imagen 3). También construyeron un módulo a pequeña escala con espuma de poliestireno expandido como aislante y probaron el rendimiento de purificación simulada de agua de mar, revelando que CF-3 tiene la tasa de evaporación más alta, alcanzando 1.47 kg/m2 por hora (Imagen 3).

Imagen 3: Tasa de evaporación y eficiencia bajo iluminación solar.

Atribuyeron el mejor rendimiento a tres ventajas de este sistema de generación de vapor solar: una mejora en la mojabilidad para el suministro de agua mediante fuerzas capilares más altas (debido a una superficie jerárquica), una mayor absorción solar debido a la reducción de la reflexión solar y una minimización de la pérdida de calor por conducción. Por lo tanto, eligieron CF-3 como material modelo y lo aplicaron en diversas purificaciones de soluciones, como agua de mar altamente concentrada, emulsiones aceite-en-agua y soluciones orgánicas teñidas. Para el agua de mar, descubrieron que la producción promedio de agua durante diez días consecutivos a partir de agua de mar fue tan alta como 5.4 kg/m2 por día debido a la destacada propiedad antisal de CF-3 (Imagen 4); para la emulsión aceite-en-agua, la tasa de evaporación fue de 1.25 kg/m2 por hora y el contenido de aceite en el agua destilada fue solo de 11.9 ppm. Para la solución orgánica teñida, la tasa de evaporación fue de 0.98 kg/m2 por hora y los colorantes se podían eliminar fácilmente. Además, no observaron ninguna deterioración de la resistencia a la tracción de CF-3 después de la inmersión en solvente orgánico o solución salina concentrada durante 10 días.

Imagen 4: Agua recolectada de agua simulada del Mar Muerto bajo luz solar natural.

En resumen, los autores presentaron un novedoso sistema de purificación basado en fibras de carbono modificadas con mayor energía superficial polar y absorción de luz solar, capaz de purificar eficientemente diversas soluciones contaminadas y bombear agua y solventes orgánicos mediante una fuerza capilar mejorada. Es importante destacar que estos materiales muestran una buena estabilidad a largo plazo, incluso cuando están sumergidos en solvente orgánico o agua salina altamente concentrada. Este sistema de generación de vapor solar presenta una considerable promesa para ser aplicado en la purificación de líquidos contaminados y satisfacer las demandas diarias de agua potable en el futuro.

Se utilizaron dispositivos de medición de ángulo de contacto dinámico y el Tensiometer DCAT de DataPhysics Instruments GmbH, Alemania, en esta investigación.

Para obtener más información, consulta el siguiente artículo:
“Ultra-robust carbon fibers for multi-media purification via solar-evaporation”; Tiantian Li, Qile Fang, Xianfeng Xi, Yousi Chen, Fu Liu; J. Mater. Chem. A, 2019, 7, 586; DOI: 10.1039/c8ta08829b.