Forscher an der University at Buffalo (UB) haben ein Graphen-Aerogel entwickelt, mit dem sie in der Lage sind, Verunreinigungen aus Wasseraufbereitungsanlagen zu entfernen. Das 3D-druckbare Material kann auch Schwermetalle wie Chrom und Blei entfernen. Wir fassen die wichtigsten Informationen zur Arbeit zusammen.

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Forscher der University at Buffalo (UB) haben laut einer Pressemitteilung ein Material aus styroporartigem Aerogel, vergittertem Graphen und zwei bioinspirierten Polymeren entwickelt. Das neuartige 3D-druckbare und wasserreinigende Graphen-Aerogel soll Farbstoffe, Metalle und organische Lösungsmittel aus dem Trinkwasser entfernen können.

Das Design der Wissenschaftler ist wiederverwendbar, hinterlässt keine Rückstände und kann in größeren Mengen mit einem 3D-Drucker verarbeitet werden. Es ist geplant, das Material im industriellen Maßstab zu kommerzialisieren. Wasser kostengünstig zu reinigen, gelang Schweizer und italienischen Forschern im Jahr 2019 mit 3D-gedruckten Mikrogeräten.

Wasserreinigung mit Graphen-Aerogel

Die Forscher der UB haben die Ergebnisse ihrer Arbeit in einem Artikel mit dem Titel „3D printed graphene-biopolymer aerogels for water contaminant removal: a proof of concept“ vorgestellt. Nirupam Aich, Co-Autor der Studie und Assistenzprofessor für Umweltingenieurwesen an der UB, erklärt:

„Ziel ist es, Verunreinigungen sicher aus dem Wasser zu entfernen, ohne problematische chemische Rückstände freizusetzen. Die von uns entwickelten Aerogele behalten ihre Struktur, wenn sie in Wasseraufbereitungssysteme eingebracht werden, und können in verschiedenen Wasseraufbereitungsanwendungen eingesetzt werden.“

Sie testeten die Wasserreinigungsfähigkeit mit einem Graphenoxid (GO) -Derivat des Materials. GO-Geräte aus industriellen Prozessen zurückzugewinnen, ist jedoch schwierig. Zu makroskopischen Aerogelen zusammengesetzte Nanoblätter weisen ein höheres Absorptionsvermögen auf. Verarbeitungsbeschränkungen für industrielle Reinigungsreaktoren, -säulen und -filter machen diese jedoch für Behandlungsanlagen uninteressant.

3D-Druck als Lösung

3D-Druck Graphen-Aerogel
Das Graphen-Aerogel kann auch Schwermetalle wie Blei und Chrom entfernen (im Bild: Graphen auf Tuch)(Bild © University of Buffalo).

Benutzer können mit Direct Ink Writing (DIW) Größe, Form und Architektur der hergestellten Teile kontrollieren. Die Wiederholbarkeit ermöglicht eine hohe Skalierbarkeit. Die UB-Forscher gehen davon aus, dass mit dem 3D-Druck ein massenproduziertes Wasserreinigungssystem entwickelt werden könnte.

Die Forscher stellten die Aerogele mit einer Tinte auf Graphenbasis her. Diese ermöglicht eine Wasseraufnahme und verhindert eine Partikelagglomeration, da das Team einem GO-Pulver das bioinspirierte Polydopamin (PDA) und Rinderserumalbumin (BSA) hinzugefügt hat. Es entstand ein viskoelastizitätsoptimiertes 3D-Druck-Material.

Mit einem nachgerüsteten Ultimaker 2 GO 3D-Drucker fertigten sie eine zylindrische Testprobe von 12 mm (T) x 4 mm (H) her. Es blieb ein G-PDA-BSA-Aerogel zurück, nachdem sie die Probe eingefroren und gefriergetrocknet haben.

Ablauf graphisch dargestellt
Das neuartige 3D druckbare wasserreinigende Graphen-Aerogel soll Farbstoffe, Metalle und organische Lösungsmittel aus dem Trinkwasser entfernen können (Bild © University of Buffalo).

100% Lösungsmittelentfernung, auch Schwermetalle entfernbar

Zu Testzwecken setzten sie das Material wiederholt mit organischem Lösungsmittel beladenem Wasser aus. Das Gel konnte die Kontamination mit gefärbtem Farbstoff um bis zu 20% reduzieren und gleichzeitig konnte es 100% des Lösungsmittels entfernen. Das Gel ließ sich so konfigurieren, dass es Schwermetalle wie Blei und Chrom entfernen kann. Bislang war das nur schwer in Wasserdekontaminationsanlagen möglich. Nun hoffen die Forscher, dass sie ihren skalierbaren Ansatz auch zur Herstellung anderer funktioneller wiederverwendbarer Nanomaterialien anwenden können, mit potenziellen Endanwendungen in Wasserfiltrationsanlagen in Form von Vorrichtungen wie Adsorbentien, Reaktoren oder Filtern.

Aich sagte:

„Mit diesen Aerogelen können wir nicht nur Graphenpartikel, sondern auch Nanometallpartikel enthalten, die als Katalysatoren wirken. Das zukünftige Ziel ist es, Nanometallpartikel in die Wände und die Oberfläche dieser Aerogele einzubetten. Sie könnten nicht nur biologische Verunreinigungen, sondern auch chemische Verunreinigungen abbauen oder zerstören.“

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