Endelig, 3D-printede graphene aerogeler til vandbehandling

Grafen udmærker sig ved at fjerne forurenende stoffer fra vand, men det er endnu ikke en kommercielt levedygtig brug af vidundermaterialet.

Det kan være ved at ændre sig.

I en nylig undersøgelse, University at Buffalo-ingeniører rapporterer om en ny proces med 3D-printning af grafen-aerogeler, som de siger overvinder to vigtige hindringer - skalerbarhed og skabe en version af materialet, der er stabilt nok til gentagen brug - til vandbehandling.

"Målet er sikkert at fjerne forurenende stoffer fra vandet uden at frigive nogen problematiske kemikalierester, " siger studiemedforfatter Nirupam Aich, Ph.d., adjunkt i miljøteknik ved UB School of Engineering and Applied Sciences. "Aerogelerne, vi har skabt, holder deres struktur, når de sættes i vandbehandlingssystemer, og de kan anvendes i forskellige vandbehandlingsapplikationer."

Undersøgelsen - "3D-printede grafen-biopolymer-aerogeler til fjernelse af vandforurenende stoffer:et bevis på konceptet" - blev offentliggjort i tidsskriftets Emerging Investigator Series Miljøvidenskab:Nano . Arvid Masud, Ph.d., en tidligere studerende i Aichs laboratorium, er hovedforfatteren; Chi Zhou, Ph.d., lektor i industri- og systemteknik ved UB, er medforfatter.

En aerogel er et lys, meget porøst fast stof dannet ved udskiftning af væske i en gel med en gas, så det resulterende faste stof har samme størrelse som originalen. De ligner i strukturel konfiguration Styrofoam:meget porøse og lette, dog stærk og modstandsdygtig.

Grafen er et nanomateriale dannet af elementært kulstof og er sammensat af et enkelt fladt ark af kulstofatomer arrangeret i et gentaget sekskantet gitter.

For at skabe den rigtige konsistens af det grafenbaserede blæk, forskerne så til naturen. De tilføjede to bio-inspirerede polymerer - polydopamin (et syntetisk materiale, ofte omtalt som PDA, der ligner klæbende sekreter fra muslinger), og bovint serumalbumin (et protein afledt af køer).

I test, den omkonfigurerede aerogel fjernede visse tungmetaller, såsom bly og krom, som plager drikkevandssystemer på landsplan. Det fjernede også organiske farvestoffer, såsom kationisk methylenblåt og anionisk Evansblåt, samt organiske opløsningsmidler som hexan, heptan og toluen.

For at demonstrere aerogelens genbrugspotentiale, forskerne kørte organiske opløsningsmidler igennem det 10 gange. Hver gang, det fjernede 100 % af opløsningsmidlerne. Forskerne rapporterede også, at aerogelens evne til at fange methylenblåt faldt med 2-20% efter den tredje cyklus.

Aerogelerne kan også skaleres op i størrelse, Aich siger, fordi i modsætning til nanoark, aerogel kan printes i større størrelser. Dette eliminerer et tidligere problem, der er forbundet med storproduktion, og gør processen tilgængelig til brug i store anlæg, såsom i spildevandsrensningsanlæg, han siger. Han tilføjer, at aerogelerne kan fjernes fra vand og genbruges andre steder, og at de ikke efterlader nogen form for rester i vandet.

Aich er en del af et samarbejde mellem UB og University of Pittsburgh, ledet af UB kemi professor Diana Aga, Ph.d., at finde metoder og værktøjer til at nedbryde per- og polyfluoralkylstoffer (PFAS), giftige materialer så svære at nedbryde, at de er kendt som "for evigt kemikalier". Aich bemærker lighederne med hans arbejde med 3D-aerogeler, og han håber, at resultaterne fra de to projekter kan samles for at skabe mere effektive metoder til at fjerne vandbårne forurenende stoffer.

"Vi kan bruge disse aerogeler ikke kun til at indeholde grafenpartikler, men også nanometalliske partikler, som kan fungere som katalysatorer, " Aich siger. "Det fremtidige mål er at have nanometalliske partikler indlejret i væggene og overfladen af ​​disse aerogeler, og de ville være i stand til at nedbryde eller ødelægge ikke kun biologiske forurenende stoffer, men også kemiske forureninger."

Aich, Chi, og Masud har et afventende patent på grafen aerogelen beskrevet i undersøgelsen, og de leder efter industrielle partnere til at kommercialisere denne proces.