Grafen utmärker sig för att ta bort föroreningar från vatten, men det är ännu inte en kommersiellt gångbar användning av undermaterialet.

Det kan förändras.

I en nyligen genomförd studie, Ingenjörer vid University at Buffalo rapporterar en ny process för 3D-utskrift av grafenaerogeler som de säger övervinner två viktiga hinder – skalbarhet och att skapa en version av materialet som är tillräckligt stabil för upprepad användning – för vattenbehandling.

"Målet är att säkert ta bort föroreningar från vatten utan att släppa några problematiska kemikalierester, " säger studiens medförfattare Nirupam Aich, Ph.D., biträdande professor i miljöteknik vid UB Högskolan för teknik och yrkeshögskola. "Aerogelerna vi har skapat håller sin struktur när de sätts i vattenbehandlingssystem, och de kan användas i olika vattenbehandlingstillämpningar."

Studien - "3D-tryckta grafen-biopolymeraerogeler för avlägsnande av vattenföroreningar:ett bevis på konceptet" - publicerades i tidskriften Emerging Investigator Series Miljövetenskap:Nano . Arvid Masud, Ph.D., en före detta student i Aichs labb, är huvudförfattare; Chi Zhou, Ph.D., docent i industri- och systemteknik vid UB, är medförfattare.

En aerogel är ett ljus, mycket poröst fast ämne som bildas genom ersättning av vätska i en gel med en gas så att det resulterande fasta ämnet har samma storlek som originalet. De liknar frigolit i strukturell konfiguration:mycket porösa och lätta, men ändå stark och tålig.

Grafen är ett nanomaterial som bildas av elementärt kol och är sammansatt av ett enda platt ark av kolatomer arrangerade i ett repeterande hexagonalt gitter.

För att skapa rätt konsistens av det grafenbaserade bläcket, forskarna såg till naturen. De lade till två bioinspirerade polymerer - polydopamin (ett syntetiskt material, ofta kallad PDA, som liknar det vidhäftande sekretet från musslor), och bovint serumalbumin (ett protein som härrör från kor).

I tester, den omkonfigurerade aerogelen tog bort vissa tungmetaller, såsom bly och krom, som plågar dricksvattensystem i hela landet. Det tog också bort organiska färgämnen, såsom katjonisk metylenblått och anjoniskt Evansblått, samt organiska lösningsmedel som hexan, heptan och toluen.

För att visa aerogelens återanvändningspotential, forskarna körde organiska lösningsmedel genom den 10 gånger. Varje gång, den avlägsnade 100 % av lösningsmedlen. Forskarna rapporterade också att aerogelens förmåga att fånga metylenblått minskade med 2–20 % efter den tredje cykeln.

Aerogelerna kan även skalas upp i storlek, Aich säger, eftersom till skillnad från nanoark, aerogeler kan tryckas i större storlekar. Detta eliminerar ett tidigare problem som är inneboende i storskalig produktion, och gör processen tillgänglig för användning i stora anläggningar, som i avloppsreningsverk, han säger. Han tillägger att aerogelerna kan tas bort från vatten och återanvändas på andra platser, och att de inte lämnar någon form av rester i vattnet.

Aich är en del av ett samarbete mellan UB och University of Pittsburgh, leds av UB kemiprofessor Diana Aga, Ph.D., att hitta metoder och verktyg för att bryta ned per- och polyfluoralkylsubstanser (PFAS), giftiga material så svåra att bryta ner att de är kända som "för evigt kemikalier". Aich noterar likheterna med hans arbete med 3D-aerogeler, och han hoppas att resultaten från de två projekten kan föras samman för att skapa mer effektiva metoder för att ta bort vattenburna föroreningar.

"Vi kan använda dessa aerogeler inte bara för att innehålla grafenpartiklar utan även nanometalpartiklar som kan fungera som katalysatorer, " Aich säger. "Det framtida målet är att ha nanometalpartiklar inbäddade i väggarna och ytan på dessa aerogeler och de skulle kunna bryta ner eller förstöra inte bara biologiska föroreningar, men också kemiska föroreningar."

Aich, Chi, och Masud har ett patentsökt för den grafenaerogel som beskrivs i studien, och de letar efter industriella partners för att kommersialisera denna process.