16.04.2021 - University at Buffalo

Endlich: 3D-gedruckte Graphen-Aerogele für die Wasseraufbereitung

Studie zeigt, wie man stabile und große Aerogele herstellt, die Schwermetalle, organische Lösungsmittel und organische Farbstoffe entfernen

Graphen eignet sich hervorragend, um Verunreinigungen aus dem Wasser zu entfernen, aber noch ist das Wundermaterial nicht kommerziell nutzbar. Das könnte sich jetzt ändern.

In einer aktuellen Studie berichten Ingenieure der University at Buffalo über einen neuen Prozess des 3D-Drucks von Graphen-Aerogelen, der ihrer Meinung nach zwei entscheidende Hürden überwindet - Skalierbarkeit und die Schaffung einer Version des Materials, die stabil genug für den wiederholten Einsatz ist - für die Wasseraufbereitung.

"Das Ziel ist es, Verunreinigungen sicher aus dem Wasser zu entfernen, ohne problematische chemische Rückstände freizusetzen", sagt Studien-Co-Autor Nirupam Aich, PhD, Assistenzprofessor für Umwelttechnik an der UB School of Engineering and Applied Sciences. "Die Aerogele, die wir geschaffen haben, behalten ihre Struktur, wenn sie in Wasseraufbereitungssystemen eingesetzt werden, und sie können in verschiedenen Wasseraufbereitungsanwendungen eingesetzt werden."

Die Studie wurde in der Emerging Investigator Series der Zeitschrift Environmental Science veröffentlicht : Nano. Arvid Masud, PhD, ein ehemaliger Student in Aichs Labor, ist der Hauptautor; Chi Zhou, PhD, außerordentlicher Professor für Industrie- und Systemtechnik an der UB, ist ein Co-Autor.

Ein Aerogel ist ein leichter, hochporöser Feststoff, der durch den Austausch von Flüssigkeit in einem Gel durch ein Gas gebildet wird, so dass der resultierende Feststoff die gleiche Größe wie das Original hat. Sie ähneln in ihrer Struktur dem Styropor: sehr porös und leicht, aber dennoch stark und elastisch.

Graphen ist ein Nanomaterial, das aus elementarem Kohlenstoff gebildet wird und aus einer einzelnen flachen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht, die in einem sich wiederholenden hexagonalen Gitter angeordnet sind.

Um die richtige Konsistenz der Graphen-basierten Tinte zu erzeugen, schauten die Forscher auf die Natur. Sie fügten ihr zwei bio-inspirierte Polymere hinzu - Polydopamin (ein synthetisches Material, oft als PDA bezeichnet, das den klebrigen Sekreten von Muscheln ähnelt) und Rinderserumalbumin (ein von Kühen gewonnenes Protein).

In Tests entfernte das rekonfigurierte Aerogel bestimmte Schwermetalle, wie Blei und Chrom, die landesweit die Trinkwassersysteme plagen. Es entfernte auch organische Farbstoffe, wie kationisches Methylenblau und anionisches Evans-Blau, sowie organische Lösungsmittel wie Hexan, Heptan und Toluol.

Um das Wiederverwendungspotenzial des Aerogels zu demonstrieren, ließen die Forscher organische Lösungsmittel 10 Mal durch das Aerogel laufen. Jedes Mal entfernte es 100 % der Lösungsmittel. Die Forscher berichteten auch, dass die Fähigkeit des Aerogels, Methylenblau abzufangen, nach dem dritten Zyklus um 2-20 % abnahm.

Die Aerogele können auch in der Größe skaliert werden, sagt Aich, denn im Gegensatz zu Nanoblättern können Aerogele in größeren Größen gedruckt werden. Dies beseitigt ein bisheriges Problem bei der Produktion in großem Maßstab und macht das Verfahren für den Einsatz in großen Anlagen, wie z. B. in Kläranlagen, verfügbar, sagt er. Er fügt hinzu, dass die Aerogele aus dem Wasser entfernt und an anderen Stellen wiederverwendet werden können, und dass sie keinerlei Rückstände im Wasser hinterlassen.

Aich ist Teil einer Zusammenarbeit zwischen der UB und der University of Pittsburgh, die von der UB-Chemieprofessorin Diana Aga, PhD, geleitet wird, um Methoden und Werkzeuge zum Abbau von Per- und Polyfluoralkylsubstanzen (PFAS) zu finden, giftige Stoffe, die so schwer abzubauen sind, dass sie als "Ewigkeitschemikalien" bekannt sind. Aich bemerkt die Ähnlichkeiten zu seiner Arbeit mit 3D-Aerogelen und hofft, dass die Ergebnisse der beiden Projekte zusammengeführt werden können, um effektivere Methoden zur Entfernung von Schadstoffen im Wasser zu entwickeln.

"Wir können diese Aerogele nicht nur verwenden, um Graphenpartikel zu enthalten, sondern auch nanometallische Partikel, die als Katalysatoren wirken können", sagt Aich. "Das zukünftige Ziel ist es, nanometallische Partikel in die Wände und die Oberfläche dieser Aerogele einzubetten, und sie wären in der Lage, nicht nur biologische Verunreinigungen, sondern auch chemische Verunreinigungen abzubauen oder zu zerstören."

Aich, Chi und Masud halten ein anhängiges Patent für das in der Studie beschriebene Graphen-Aerogel, und sie suchen nach industriellen Partnern, um dieses Verfahren zu kommerzialisieren.

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