A sinistra, una stampante 3D che stampa il foglio di aerogel di grafene di forma esagonale. A destra, l'aerogel (ora nero) filtra l'acqua sporca. Credito: Scienze ambientali:Nano
Il grafene eccelle nel rimuovere i contaminanti dall'acqua, ma non è ancora un uso commercialmente praticabile del materiale miracoloso.
Potrebbe cambiare.
In un recente studio, Gli ingegneri dell'Università di Buffalo segnalano un nuovo processo di stampa 3D di aerogel di grafene che, secondo loro, supera due ostacoli chiave:la scalabilità e la creazione di una versione del materiale sufficientemente stabile per un uso ripetuto, per il trattamento dell'acqua.
"L'obiettivo è rimuovere in modo sicuro i contaminanti dall'acqua senza rilasciare alcun residuo chimico problematico, ", afferma il coautore dello studio Nirupam Aich, dottorato di ricerca, assistente professore di ingegneria ambientale presso la UB School of Engineering and Applied Sciences. "Gli aerogel che abbiamo creato mantengono la loro struttura quando vengono inseriti nei sistemi di trattamento dell'acqua, e possono essere applicati in diverse applicazioni di trattamento delle acque."
Lo studio - "Aerogel di grafene-biopolimero stampati in 3D per la rimozione dei contaminanti dell'acqua:una prova del concetto" - è stato pubblicato nella serie Emerging Investigator della rivista Scienze ambientali:nano . Arvid Masud, dottorato di ricerca, un ex studente nel laboratorio di Aich, è l'autore principale; Chi Zhou, dottorato di ricerca, professore associato di ingegneria industriale e dei sistemi presso UB, è un coautore.
Un aerogel è una luce, solido altamente poroso formato dalla sostituzione del liquido in un gel con un gas in modo che il solido risultante abbia le stesse dimensioni dell'originale. Sono simili nella configurazione strutturale al polistirolo:molto porosi e leggeri, eppure forte e resistente.
Il grafene è un nanomateriale formato da carbonio elementare ed è composto da un singolo foglio piatto di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale ripetuto.
Il grafene è incredibilmente leggero. Questo aerogel, utilizzato per filtrare l'acqua, si trova sopra un singolo tessuto. Credito:Università di Buffalo.
Per creare la giusta consistenza dell'inchiostro a base di grafene, i ricercatori hanno guardato alla natura. Hanno aggiunto ad esso due polimeri bio-ispirati:la polidopamina (un materiale sintetico, spesso indicato come PDA, che è simile alle secrezioni adesive delle cozze), e albumina di siero bovino (una proteina derivata dalle mucche).
Nei test, l'aerogel riconfigurato ha rimosso alcuni metalli pesanti, come piombo e cromo, che affliggono i sistemi di acqua potabile a livello nazionale. Rimuove anche i coloranti organici, come il blu di metilene cationico e il blu anionico di Evans, così come solventi organici come esano, eptano e toluene.
Per dimostrare il potenziale di riutilizzo dell'aerogel, i ricercatori hanno fatto scorrere solventi organici attraverso di esso 10 volte. Ogni volta, ha rimosso il 100% dei solventi. I ricercatori hanno anche riferito che la capacità dell'aerogel di catturare il blu di metilene è diminuita del 2-20% dopo il terzo ciclo.
Gli aerogel possono anche essere ridimensionati in dimensioni, Aich dice, perché a differenza dei nanosheet, gli aerogel possono essere stampati in formati più grandi. Questo elimina un precedente problema inerente alla produzione su larga scala, e rende il processo disponibile per l'uso in grandi strutture, come negli impianti di trattamento delle acque reflue, lui dice. Aggiunge che gli aerogel possono essere rimossi dall'acqua e riutilizzati in altri luoghi, e che non lasciano alcun tipo di residuo nell'acqua.
Aich fa parte di una collaborazione tra UB e l'Università di Pittsburgh, guidato dalla professoressa di chimica UB Diana Aga, dottorato di ricerca, trovare metodi e strumenti per degradare le sostanze per- e polifluoroalchiliche (PFAS), materiali tossici così difficili da abbattere che sono conosciuti come "prodotti chimici per sempre". Aich nota le somiglianze con il suo lavoro con gli aerogel 3D, e spera che i risultati dei due progetti possano essere riuniti per creare metodi più efficaci per rimuovere i contaminanti presenti nell'acqua.
"Possiamo usare questi aerogel non solo per contenere particelle di grafene ma anche particelle di nanometalli che possono fungere da catalizzatori, " Aich dice. "L'obiettivo futuro è avere particelle di nanometallo incorporate nelle pareti e nella superficie di questi aerogel e sarebbero in grado di degradare o distruggere non solo i contaminanti biologici, ma anche contaminanti chimici".
Aich, chi, e Masud detengono un brevetto in sospeso per l'aerogel di grafene descritto nello studio, e stanno cercando partner industriali per commercializzare questo processo.
