Evaluación de la humectabilidad de fibras individuales mediante tensiometría

Con el rápido desarrollo de la economía y la sociedad, la contaminación como por ej. la descarga de solventes orgánicos o las emulsiones agua/aceite afectan gravemente a la ecología de nuestro medio ambiente incluyendo la salud humana.

La generación solar de vapor, como una de las formas más eficientes de purificación, ha atraído cada vez más la atención a la depuración de aguas marinas y residuales. Sin embargo, la mayoría de los materiales fotoquímicos son inestables en términos fisicoquímicos por la presencia de solventes orgánicos. Esta carencia impulsa la investigación sobre materiales fototérmicos con estabilidad a largo plazo y buena resistencia a solventes orgánicos o aguas saladas, y que cuenten con la gran capacidad de bombear agua o solventes orgánicos durante el proceso de purificación.

Hasta ahora, las fibras de carbono comerciales han llamado la atención de los científicos debido a las siguientes ventajas: alta resistencia mecánica, excelente resistencia química, estabilidad térmica y poco peso. En particular, las fibras de carbono poseen suficiente fuerza capilar para bombear agua o solventes durante el proceso de purificación. Desafortunadamente, tienen un nivel extremadamente pobre de absorción solar y absorción de solventes polares debido a la contribución de su densa  y su baja polaridad, y poca contribución a la energía superficial. Para mejorar su afinidad con los solventes, Tiantian Li et al. ha informado recientemente sobre un nuevo método de carbonización hidrotermal para fabricar fibras de carbono con una estructura rugosa y con un alto grado de grupos de funcionalidades polares en su superficie para aumentar la humectabilidad.

En este trabajo, los investigadores fabricaron capas de carbono hidrotermal introduciendo múltiples grupos funcionales en la superficie, como se muestra en la Imagen 1.

Primero, trataron las fibras de carbono por carbonización hidrotermal de glucosa con diferentes concentraciones (1,5% en peso, 3% en peso) en A 200 °C, y produjeron materiales llamados CF-1.5 y CF-3, respectivamente. 

Las fibras de carbono prístino como grupo de control se denominaron CF-0. 

Después de que la glucosa fuera deshidratada, polimeriza y condensada, las macromoléculas anfifílicas aromáticas, los grupos formarán micelas con los carboxilo, carbonilo e hidroxilo y se unirán a la superficie de las fibras de carbono a vía interacción hidrofóbica.

Picture 1: Carbon fiber hydrothermal carbonization procedure.

Después del tratamiento, la superficie limpia 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 oxígeno y elementos de carbono. Pero la relación oxígeno/carbono y la cantidad de grupos C–O y C=O aumentarían después del tratamiento, lo que mejoraría en gran medida la humectabilidad del agua y la superficie polar.

Energía de las fibras de carbono (Imagen 2).

Para estudiar en profundidad el efecto del tratamiento hidrotermal sobre la humectabilidad del agua en una fibra y la energía superficial polar, los investigadores realizaron mediciones utilizando el Tensiómetro de ángulo de contacto dinámico DCAT de DataPhysics Instruments.

Los ángulos de contacto con el agua para CF-0, CF-1,5 y CF-3 fueron 86,2°, 68,3° y 55,1° respectivamente. lo que indica que el ángulo de contacto con el agua disminuye con el aumento de la concentración de glucosa.

La energía superficial polar del CF-3 (19,85 mN/m) era 12,4 veces mayor que la del CF-0, y 2,1 veces superior al del CF-1,5. En general, la introducción de grupos carboxilo (–COOH) y los grupos hidroxilo (–OH) mejoraron enormemente 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 del CF-3 (~93,0%) es mayor (Imagen 3). También construyeron un módulo a pequeña escala con espuma de PS como aislante y probaron el rendimiento de la purificación de agua de mar simulada, revelando que CF-3 tiene la tasa de evaporación más alta de 1,47 kg/m2 por hora (Imagen 3), mayor absorción solar debido a la reducción de la reflexión de la luz solar y minimización de la pérdida de calor por conducción. Por lo tanto, eligieron CF-3 como material modelo y lo aplicaron para purificar diferentes soluciones, como agua de mar altamente concentrada, emulsión de aceite en agua y solución orgánica teñida.

Picture 3: Evaporation rate and efficiency under sun illumination.

Para el agua de mar, encontraron que la producción promedio de agua durante diez días consecutivos a fue de hasta 5,4 kg/m2 por día debido a la excelente propiedad anti sal del CF-3 (Imagen 4); Para la emulsión de aceite en agua, la tasa de evaporación fue de 1,25 kg/m2 por hora y el contenido de aceite del agua destilada fue de sólo 11,9 ppm. Para la solución orgánica teñida, la velocidad de evaporación fue de 0,98 kg/m2 por hora y los tintes se pudieron eliminar fácilmente. Además, no observaron ningún deterioro de la resistencia a la tracción del CF-3 después de la inmersión en un disolvente orgánico o una solución salina concentrada durante 10 días.

Picture 4: Collected water out of simulated Dead Sea water under natural sunlight.

En resumen, los autores ilustraron un novedoso sistema de purificación basado en fibras de carbono modificadas con mayor energía superficial polar y absorción de luz solar, que puede purificar eficientemente diversas soluciones contaminadas y bombear agua y solventes orgánicos mediante una fuerza capilar mejorada. En particular, estos materiales tienen una buena estabilidad a largo plazo incluso sumergidos en disolventes orgánicos o agua salada altamente concentrada. Este sistema solar de generación de vapor tiene una considerable promesa de ser aplicado para purificar líquidos contaminados y satisfacer las demandas diarias de agua potable en el futuro.

El tensiómetro de ángulo de contacto dinámico DCAT (DataPhysics Instruments GmbH, Alemania) fue utilizado en esta investigación. 

Para más información, referirse al 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