Графен, благодаря своим удивительным свойствам превосходит другие материалы по способности удалять загрязняющие вещества из воды, но этому чудо-материалу пока еще далеко до коммерческого использования. Но это может измениться.
В недавнем исследовании инженеры университета в Баффало сообщили о новом процессе 3D-печати графеновых аэрогелей, который, по их словам, преодолевает два ключевых препятствия — масштабируемость и создание модификации материала, достаточно стабильной для многократного использования при обработке воды.
3D-печать графенового аэрогеля
Целью исследователей — было создание такого аэрогеля, который сможет безопасно удалять загрязнения из воды без выделения каких-либо проблемных химических остатков. Напечатанный аэрогель, сохраняет свою структуру при введении в системы водоподготовки, и может применяться в различных областях водоподготовки.
Статья «3D печатные графено-биополимерные аэрогели для удаления загрязняющих веществ в воде: доказательство концепции» — была опубликована в журнале «Экология», авторы Арвид Масуд, Айч и Чи Чжоу.
Аэрогель — легкое, высокопористое твердое вещество, образующееся заменой жидкой фазы в геле на газобразную таким образом, что получающееся твердое вещество имеет те же размеры, что и оригинал. По своей структуре полученный материал схож с пенополистиролом: очень пористый и легкий, но в то же время прочный и упругий.
Графен представляет собой наноматериал, образованный элементарным углеродом и состоящий из одного плоского листа атомов углерода, расположенных в повторяющейся шестиугольной решетке.
Графен невероятно лёгкий. Этот аэрогель, используемый для фильтрации воды, располагается сверху салфетки. Предоставлено: Университет Баффало
Чтобы создать правильную консистенцию чернил на основе графена, исследователи обратились к природе. Они добавили в нее два биоиндуцированных полимера — полидопамин (синтетический материал, часто называемый PDA, который похож на адгезивные выделения мидий) и бычий сывороточный альбумин (белок, получаемый из коров).
В ходе испытаний реконфигурированный аэрогель смог удалить из воды некоторые тяжелые металлы, такие как свинец и хром, которые заражают системы питьевой воды по всей стране. Он также удалил органические красители, такие как катионный метиленовый синий и анионный синий, а также органические растворители, такие как гексан, гептан и толуол.
Чтобы продемонстрировать потенциал повторного использования аэрогеля, исследователи прогоняли через него органические растворители 10 раз. Каждый раз он удалял 100% растворителей. Исследователи также сообщили, что способность аэрогеля улавливать метиленовый синий уменьшается на 2-20% после третьего цикла.
Аэрогели могут быть легко масштабированы, потому что в отличие от нанолистов, аэрогели могут печататься в больших размерах. Это устраняет существовавшую ранее проблему, связанную с крупномасштабным производством, и делает этот процесс доступным для использования на крупных объектах, например, на очистных сооружениях. Кроме того, аэрогели могут потом удаляться из воды и повторно использоваться в других местах, при этом они не оставляют после себя в воде никаких остаточных веществ.
Аэрогели на основе графена помогут быстрее найти методы и инструменты для разложения пер- и полифторалкильных веществ ( ПФАС) , которые представляют собой синтетические фторорганические химические соединения и токсичных материалов, которые настолько трудно разлагаются, что их называют «вечные химикаты.
Распечатать сейчас можно многое, например, в Праге демонстрируется первый чешский 3D-печатный дом, и он на плаву.
«Мы можем при помощи этих аэрогелей вносить в их состав не только графеновые частицы, но и наночастицы, которые смогут действовать в качестве катализаторов», — говорит Айч. «Будущая цель заключается в том, чтобы наночастицы были встроены в стенки и поверхность этих аэрогелей, и они могли бы разрушать или уничтожать не только биологические, но и химические загрязнители».
Источник: Журнал «Наука и Техника» https://naukatehnika.com/
