3D-gedruckte Graphen-Aerogele, die Wasser in großem Maßstab reinigen

Forscher der University of Buffalo (UB) haben ein neuartiges 3D-gedrucktes wasserreinigendes Graphen-Aerogel entwickelt, das für den Einsatz in großen Kläranlagen skaliert werden könnte.

Das neuartige Material besteht aus einem Styropor-ähnlichen Aerogel, gitterförmigem Graphen und zwei biologisch inspirierten Polymeren und ist in der Lage, Farbstoffe, Metalle und organische Lösungsmittel mit 100 %iger Effizienz aus dem Trinkwasser zu entfernen. Im Gegensatz zu ähnlichen Nanoblättern ist das Design der Wissenschaftler wiederverwendbar, hinterlässt keine Rückstände und kann in größeren Formaten 3D-gedruckt werden, weshalb sie es nun für den industriellen Einsatz kommerzialisieren wollen.

“Das Ziel ist es, Verunreinigungen sicher aus dem Wasser zu entfernen, ohne problematische chemische Rückstände freizusetzen”, erklärt SNirupam 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.”

Ein Aerogel ist ein leichter, hochporöser Feststoff, der durch den Austausch von Flüssigkeit in einem Gel durch ein Gas entsteht, so dass der resultierende Feststoff die gleiche Größe wie das Original hat. Sie ähneln in ihrer strukturellen Beschaffenheit 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 in den USA 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.

Die Studie – “3D printed graphene-biopolymer aerogels for water contaminant removal: a proof of concept” – 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.