Grafeen blinkt uit in het verwijderen van verontreinigingen uit water, maar het is nog geen commercieel levensvatbaar gebruik van het wondermateriaal.

Dat zou kunnen veranderen.

In een recente studie, Ingenieurs van de Universiteit van Buffalo melden een nieuw proces van 3D-printen van grafeen-aerogels waarvan ze zeggen dat het twee belangrijke hindernissen overwint - schaalbaarheid en het creëren van een versie van het materiaal die stabiel genoeg is voor herhaald gebruik - voor waterbehandeling.

"Het doel is om verontreinigingen veilig uit het water te verwijderen zonder dat er problematische chemische resten vrijkomen, " zegt co-auteur Nirupam Aich, doctoraat, universitair docent milieutechniek aan de UB School of Engineering and Applied Sciences. "De aerogels die we hebben gemaakt, behouden hun structuur wanneer ze in waterbehandelingssystemen worden geplaatst, en ze kunnen worden toegepast in diverse waterbehandelingstoepassingen."

De studie - "3D-geprinte grafeen-biopolymeer aerogels voor het verwijderen van waterverontreinigingen:een proof of concept" - werd gepubliceerd in de Emerging Investigator Series van het tijdschrift Milieukunde:Nano . Arvid Masud, doctoraat, een voormalig student in het lab van Aich, is de hoofdauteur; Chi Zhou, doctoraat, universitair hoofddocent industriële en systeemtechniek aan de UB, is co-auteur.

Een aerogel is een licht, zeer poreuze vaste stof gevormd door vervanging van vloeistof in een gel door een gas, zodat de resulterende vaste stof dezelfde grootte heeft als het origineel. Ze zijn qua structurele configuratie vergelijkbaar met piepschuim:zeer poreus en lichtgewicht, maar toch sterk en veerkrachtig.

Grafeen is een nanomateriaal gevormd door elementaire koolstof en is samengesteld uit een enkele vlakke plaat van koolstofatomen die zijn gerangschikt in een herhalend hexagonaal rooster.

Om de juiste consistentie van de op grafeen gebaseerde inkt te creëren, de onderzoekers keken naar de natuur. Ze voegden er twee bio-geïnspireerde polymeren aan toe:polydopamine (een synthetisch materiaal, vaak aangeduid als PDA, die vergelijkbaar is met de kleverige afscheiding van mosselen), en runderserumalbumine (een eiwit afkomstig van koeien).

Bij testen, de opnieuw geconfigureerde aerogel verwijderde bepaalde zware metalen, zoals lood en chroom, die drinkwatersystemen in het hele land teisteren. Het verwijderde ook organische kleurstoffen, zoals kationisch methyleenblauw en anionisch Evans-blauw, evenals organische oplosmiddelen zoals hexaan, heptaan en tolueen.

Om het hergebruikpotentieel van de aerogel aan te tonen, de onderzoekers lieten er 10 keer organische oplosmiddelen doorheen lopen. Elke keer, het verwijderde 100% van de oplosmiddelen. De onderzoekers rapporteerden ook dat het vermogen van de aerogel om methyleenblauw op te vangen na de derde cyclus met 2-20% was afgenomen.

De aerogels kunnen ook worden opgeschaald in grootte, Aich zegt, omdat, in tegenstelling tot nanosheets, aerogels kunnen in grotere maten worden bedrukt. Dit elimineert een eerder probleem dat inherent is aan grootschalige productie, en maakt het proces beschikbaar voor gebruik in grote faciliteiten, zoals in afvalwaterzuiveringsinstallaties, hij zegt. Hij voegt eraan toe dat de aerogels uit het water kunnen worden verwijderd en op andere locaties opnieuw kunnen worden gebruikt, en dat ze geen residu achterlaten in het water.

Aich maakt deel uit van een samenwerking tussen de UB en de University of Pittsburgh, onder leiding van UB-professor scheikunde Diana Aga, doctoraat, methoden en hulpmiddelen te vinden om per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS) af te breken, giftige stoffen die zo moeilijk af te breken zijn dat ze bekend staan ​​als 'forever chemicals'. Aich merkt de overeenkomsten op met zijn werk met 3D-aerogels, en hij hoopt dat de resultaten van de twee projecten kunnen worden samengebracht om effectievere methoden te creëren voor het verwijderen van watergedragen verontreinigingen.

"We kunnen deze aerogels niet alleen gebruiken om grafeendeeltjes te bevatten, maar ook nanometaaldeeltjes die als katalysatoren kunnen werken, " Aich zegt. "Het toekomstige doel is om nanometaaldeeltjes ingebed te hebben in de wanden en het oppervlak van deze aerogels en ze zouden niet alleen biologische verontreinigingen kunnen afbreken of vernietigen, maar maar ook chemische verontreinigingen."

Aich, chi, en Masud hebben een patent aangevraagd voor de grafeen-aerogel die in de studie wordt beschreven, en ze zoeken industriële partners om dit proces te commercialiseren.