Υπερυδροφοβικότητα σε υποβρύχιο περιβάλλον και εφαρμογές σε υπερυδρόφοβες μεμβράνες για αφαλάτωση

Abstract

Superhydrophobicity refers to materials and surfaces, which due to their rough surface topography and low surface energy, strongly resist wetting. Consequently, the phenomenon of underwater superhydrophobicity refers to surfaces that are so greatly water-repellent that they can remain 'dry' even when completely submerged in water. Largely inspired by the leaves of the Salvinia molesta plant, they can maintain a stable underwater layer of air, known as plastron, which is retained between their surface micro- and nano-structures and prevents wetting. However, this is rarely achieved in real-life conditions, since external forces, including hydrostatic pressure and water flow, severely affect plastron's lifetime, thus delaying the use of such surfaces by the marine industry. To this direction, this thesis attempts to both explain and solve the problem of durability of the underwater superhydrophobic state, using surfaces treated via plasma nanotechnology, rendering them durable in real marine environmental conditions. In addition, the knowledge and know-how gained will be applied to commercial, microporous membranes intended for membrane separations and specifically for Membrane Distillation (MD) processes. This is a quite promising technique to combat water scarcity, but is plagued by the same problems that hamper the durability of underwater superhydrophobicity in general. Therefore, in this thesis we aim to counter pore wetting, salt and biological contaminant fouling by fabricating durable superhydrophobic membranes, again via plasma nanotechnology, that can be safely used against demanding solutions and for prolonged processes. Finally, the White Light Reflectance Spectroscopy (WLRS) method is employed to observe and quantify the dynamic wetting phenomenon. This technique allows the non-invasive observation of underwater surfaces in real time, and provides an accurate calculation of plastron thickness. Therefore, it was applied not only to study the phenomenon of underwater superhydrophobicity, but also to observe membranes during their operation.

Ως υπερυδρόφοβα χαρακτηρίζονται τα υλικά που εξαιτίας της τραχιάς επιφανειακής τους τοπογραφίας, αλλά και της χαμηλής επιφανειακής τους ενέργειας, αντιστέκονται σθεναρά στη διαβροχή. Κατά συνέπεια, το φαινόμενο της υποβρύχιας υπερυδροφοβικότητας αναφέρεται σε επιφάνειες που είναι τόσο έντονα υδατοαπωθητικές, ώστε ακόμα και εξ’ ολοκλήρου βυθισμένες στο νερό δύνανται να παραμείνουν «στεγνές». Εμπνευσμένες σε μεγάλο βαθμό από τα φύλλα του φυτού Salvinia molesta, μπορούν και διατηρούν ένα σταθερό υποβρύχιο στρώμα αέρα, γνωστό και ως plastron, το οποίο συγκρατείται ανάμεσα στις επιφανειακές μίκρο- και νάνο-δομές τους και αποτρέπει τη διαβροχή. Ωστόσο, αυτό σπάνια επιτυγχάνεται σε πραγματικές συνθήκες, δεδομένου ότι οι εξωτερικές δυνάμεις, συμπεριλαμβανομένης της υδροστατικής πίεσης και της ροής του νερού, επηρεάζουν σοβαρά τη διάρκεια ζωής του plastron, καθυστερώντας έτσι τη χρήση τέτοιων επιστρώσεων από τη ναυτιλιακή βιομηχανία. Σε αυτή την κατεύθυνση, η παρούσα διατριβή επιχειρεί αφενός να εξηγήσει και αφετέρου να λύσει το πρόβλημα της αντοχής της υποβρύχιας υπερυδροφοβικότητας, χρησιμοποιώντας επιφάνειες που κατεργάζονται μέσω νανοτεχνολογίας πλάσματος, προκειμένου να καταστούν κατάλληλες για την αντιμετώπιση αυτού του φαινομένου σε πραγματικές συνθήκες θαλάσσιου περιβάλλοντος. Επιπλέον, η γνώση και η τεχνογνωσία που θα αποκτηθούν, θα εφαρμοστούν και σε εμπορικές, μικροπορώδεις μεμβράνες που προορίζονται για διαχωρισμό διαλυμάτων και συγκεκριμένα για διεργασίες απόσταξης μέσω μεμβράνης (Membrane Distillation – MD). Αυτή είναι μία πρόσφατη και αρκετά ελπιδοφόρα τεχνική καταπολέμησης της λειψυδρίας, που όμως μαστίζεται από τα ίδια προβλήματα που δυσχεραίνουν την αντοχή της υποβρύχιας υπερυδροφοβικότητας εν γένει. Συνεπώς, στη διατριβή αυτή στοχεύουμε να αντεπεξέλθουμε στη διαβροχή των πόρων, στην επικάθιση αλάτων και βιολογικών ρύπων, κατασκευάζοντας ανθεκτικές υπερυδρόφοβες μεμβράνες, πάλι μέσω νανοτεχνολογίας πλάσματος, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν με ασφάλεια ενάντια σε απαιτητικά διαλύματα και για παρατεταμένης διάρκειας διεργασίες. Τέλος, για την παρατήρηση και ποσοτικοποίηση του δυναμικού φαινομένου της διαβροχής, επιστρατεύεται η μέθοδος φασματοσκοπίας ανακλαστικότητας λευκού φωτός (White Light Reflectance Spectroscopy - WLRS). Αυτή η τεχνική επιτρέπει την παρατήρηση υποβρύχιων επιφανειών σε πραγματικό χρόνο, χωρίς να είναι επεμβατική για τα δείγματα, και επίσης παρέχει ακριβή υπολογισμό του πάχους του plastron. Ως εκ τούτου, εφαρμόστηκε όχι μόνο για τη μελέτη του φαινομένου της υποβρύχιας υπερυδροφοβικότητας, αλλά και για την παρατήρηση των μεμβρανών κατά τη διάρκεια της λειτουργίας τους.