Доступ к чистой питьевой воде является серьезной проблемой для почти трети населения мира. Теперь новая комбинация графена, аэрогелей и 3D-печати может предоставить решение.

С ростом населения мира растет потребность в чистой и доступной питьевой воде. Графен давно считается идеальным материалом для фильтрации воды и удаления загрязнений.

К сожалению, хотя его потенциал очевиден, исследователям пока не удалось разработать коммерчески жизнеспособный способ фильтрации воды на основе графена. Это связано с трудностями, связанными с увеличением производства таких материалов и созданием метода обработки, который можно использовать повторно. Это может быть ситуация, которая вот-вот изменится.

Исследователи из Университета Буффало разработали новый метод 3D-печати, позволяющий создавать аэрогели на основе графена. Новый аэрогель помогает решить эти самые насущные проблемы, обеспечивая тем самым масштабируемый процесс фильтрации на основе графена, который можно использовать многократно.

Целью является безопасное удаление загрязняющих веществ из воды без выделения каких-либо проблемных химических остатков. Созданные нами аэрогели сохраняют свою структуру при использовании в системах очистки воды, и их можно применять в различных системах очистки воды.

Нирупам Айч, доцент кафедры экологической инженерии, Школа инженерных и прикладных наук, Университет Буффало

Вместе с ведущим автором Арвидом Масудом и Чи Чжоу, адъюнкт-профессором промышленной и системной инженерии Университета Буффало, Айч является соавтором исследования, в котором подробно излагается исследование группы, опубликованное в журнале Наука об окружающей среде: нано ] как часть серии Emerging Investigator.

Легкий союз

Объединение графена и аэрогеля кажется союзом, заключенным на небесах для задач, требующих жесткого, но легкого материала.

Графен представляет собой лист углеродных аллотропов толщиной в один атом, вырезанный из графита. Тот факт, что его толщина составляет один атом, очевидно, делает его невероятно легким материалом, но то, как эти атомы расположены в гексагональной решетке, также придает ему впечатляющую прочность на разрыв.

Аэрогель представляет собой высокопористое твердое вещество, которое образуется, когда жидкость в геле заменяется газом, в результате чего получается структура, которая не изменилась по размеру, но стала невероятно легкой.

Чтобы использовать чернила на основе графена в процессе лазерной печати, исследователи также черпали вдохновение у природы. К чернилам они добавили два полимера, похожие на природные вещества – полидофамин (PDA), который напоминает выделения мидий, и бычий сывороточный альбумин (BSA), белок, полученный из коров.

Когда команда проверила специально разработанный аэрогель, они обнаружили, что он может эффективно отфильтровывать тяжелые металлы, такие как свинец и хром, органические красители и растворители, такие как гексан, гептан и толуол.

Чтобы продемонстрировать способность аэрогеля к повторному использованию, ученые пропустили через него растворители 10 раз, обнаружив, что он удалял 100% их каждый раз, даже при десятом проходе.

Аналогичные испытания с органическим красителем метиленовым синим показали, что способность аэрогеля фильтровать его к третьему проходу снизилась на 2–20%.

Глобальная проблема чистой доступной воды

В 2019 году в отчете Совместной программы ВОЗ / ЮНИСЕФ по мониторингу (СПМ) водоснабжения, санитарии и гигиены² объединенный комитет предположил, что до 1 из 3 человек не имеют доступа к чистой питьевой воде.

Это явно проблема огромного масштаба. К счастью, предложенный командой механизм фильтрации жизнеспособен для масштабирования, чтобы соответствовать размеру проблемы, для решения которой он предназначен.

Айх говорит, что, поскольку аэрогели могут быть напечатаны в больших масштабах, материаловеды изо всех сил пытались сделать с нанолистами графена. Это означает, что их механизм может быть использован на очистных сооружениях и других крупномасштабных операциях по фильтрации воды.

Не только это, но и тот факт, что аэрогель можно использовать повторно, означает, что фильтр можно снимать и повторно использовать в другом месте, не оставляя никаких остатков.

Мы можем использовать эти аэрогели не только для содержания частиц графена, но и нанометаллических частиц, которые могут действовать как катализатор. Будущая цель состоит в том, чтобы нанометаллические частицы внедрялись в стенки и поверхность этих аэрогелей, и они могли бы разлагать или уничтожать не только биологические загрязнители, но и химические загрязнители.

Нирупам Айч, доцент кафедры экологической инженерии, Школа инженерных и прикладных наук, Университет Буффало

Ссылки

1. Масуд. А., Чжоу. C., Aich. Н., [2021]«Новые серии исследователей: трехмерные печатные аэрогели из графена и биополимера для удаления загрязнителей из воды: доказательство концепции», Наука об окружающей среде: Нано, [https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/EN/D0EN00953A#fn1]

2. «Прогресс в области питьевой воды, санитарии и гигиены: 2000–2017: Особое внимание неравенству», Совместная программа ВОЗ / ЮНИСЕФ по мониторингу (СПМ) в области водоснабжения, санитарии и гигиены, [2019][https://www.unicef.org/reports/progress-on-drinking-water-sanitation-and-hygiene-2019] ]

Отказ от ответственности: мнения, выраженные здесь, принадлежат автору, выраженному в их личном качестве, и не обязательно отражают точку зрения AZoM.com Limited T / A AZoNetwork, владельца и оператора этого веб-сайта. Этот отказ от ответственности является частью Условий использования этого веб-сайта.