Eindelijk, 3D-geprinte grafeen-aerogels voor waterbehandeling

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

Dat zou kunnen veranderen.

In een recente studie rapporteren ingenieurs van de Universiteit van Buffalo 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 op een veilige manier verontreinigingen uit het water te verwijderen zonder dat er problematische chemische resten vrijkomen”, zegt co-auteur Nirupam Aich, Ph.D., assistent-professor 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 de verwijdering van waterverontreinigingen: een proof of concept” – werd gepubliceerd in de Emerging Investigator Series van het tijdschrift Milieuwetenschappen: Nano​ Arvid Masud, Ph.D., een voormalige student in het laboratorium van Aich, is de hoofdauteur; Chi Zhou, Ph.D., universitair hoofddocent industriële en systeemtechniek aan de UB, is co-auteur.

Een aerogel is een lichte, zeer poreuze vaste stof die wordt gevormd door vloeistof in een gel te vervangen 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 gerangschikt in een herhalend hexagonaal rooster.

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

In tests verwijderde de opnieuw geconfigureerde aerogel 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, lieten de onderzoekers er 10 keer organische oplosmiddelen doorheen lopen. Elke keer verwijderde het 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% afnam.

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

Aich maakt deel uit van een samenwerking tussen UB en de Universiteit van Pittsburgh, geleid door UB-hoogleraar scheikunde Diana Aga, Ph.D., om methoden en hulpmiddelen te vinden om per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS) af te breken, giftige materialen die zo moeilijk af te breken zijn dat ze bekend staan ​​als “voor altijd chemicaliën”. 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 katalysator kunnen werken”, zegt Aich. “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, maar ook chemische verontreinigingen kunnen afbreken of vernietigen.”

Aich, Chi en Masud hebben een octrooi aangevraagd voor de grafeen-aerogel die in de studie wordt beschreven, en ze zijn op zoek naar industriële partners om dit proces op de markt te brengen.