Исследование показывает, как создавать стабильные и большие аэрогели, удаляющие тяжелые металлы, органические растворители и органические красители, пишет eurekalert.org. Графен превосходно удаляет загрязнения из воды, но пока он не стал коммерчески выгодным средством.

В недавнем исследовании инженеры Университета Буффало сообщают о новом процессе 3D-печати графеновых аэрогелей, который, по их словам, преодолевает два ключевых препятствия – масштабируемость и создание версии материала, достаточно стабильной для многократного использования – для очистки воды.

«Цель состоит в том, чтобы безопасно удалить загрязняющие вещества из воды без выделения каких-либо проблемных химических остатков, – говорит соавтор исследования Нирупам Айч, доктор философии, доцент кафедры экологической инженерии в Школе инженерии и прикладных наук UB. – Созданные нами аэрогели сохраняют свою структуру при попадании в системы очистки воды, и их можно применять в различных системах очистки воды».

Аэрогель – это легкое высокопористое твердое вещество, образованное путем замены жидкости в геле на газ, так что получаемое твердое вещество имеет тот же размер, что и исходное. Они похожи по структурной конфигурации на пенополистирол: очень пористые и легкие, но при этом прочные и эластичные.

Графен – это наноматериал, образованный элементарным углеродом и состоящий из одного плоского листа атомов углерода, расположенных в повторяющейся гексагональной решетке.

Чтобы создать правильную консистенцию чернил на основе графена, исследователи обратились к природе. Они добавили к нему два биоиндуцированных полимера – полидофамин (синтетический материал, часто называемый КПК, похожий на адгезивный секрет мидий) и бычий сывороточный альбумин (белок, полученный из коров).

В ходе испытаний перенастроенный аэрогель удалил некоторые тяжелые металлы, такие как свинец и хром, от которых страдают системы питьевой воды по всей стране. Он также удалял органические красители, такие как катионный метиленовый синий и анионный синий Эванса, а также органические растворители, такие как гексан, гептан и толуол.

Чтобы продемонстрировать возможность повторного использования аэрогеля, исследователи пропустили через него органические растворители 10 раз. Каждый раз удалялось 100% растворителей. Исследователи также сообщили, что способность аэрогеля улавливать метиленовый синий снизилась на 2–20% после третьего цикла.

По словам Айча, аэрогели также можно увеличивать в размерах, потому что, в отличие от нанолистов, аэрогели можно печатать в больших размерах. По его словам, это устраняет предыдущую проблему, присущую крупномасштабному производству, и делает процесс доступным для использования на крупных предприятиях, таких как очистные сооружения сточных вод. Он добавляет, что аэрогели можно удалить из воды и повторно использовать в других местах, и что они не оставляют никаких следов в воде.

Айч является частью сотрудничества между UB и Питтсбургским университетом под руководством профессора химии UB Дианы Ага, доктора философии, по поиску методов и инструментов для разложения пер- и полифторалкильных веществ (PFAS), токсичных материалов, которые настолько трудно разрушить, что они известные как «вечные химикаты». Айч отмечает сходство с его работой с трехмерными аэрогелями и надеется, что результаты этих двух проектов могут быть объединены для создания более эффективных методов удаления загрязняющих веществ, переносимых водой.

«Мы можем использовать эти аэрогели не только для содержания частиц графена, но и нанометаллических частиц, которые могут действовать как катализаторы, – говорит Айх. – 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, но и химические загрязнители».

Айч, Чи и Масуд имеют патент на графеновый аэрогель, описанный в исследовании, и ищут промышленных партнеров для коммерциализации этого процесса.