研究

科学家们用3D打印出石墨烯气凝胶来大规模净化水

大学在布法罗(UB)研究人员开发了一种新型3D印刷水净化石墨烯气体,可在大型废水处理厂进行缩放。

这种新型材料由一种类似泡沫聚苯乙烯的气凝胶、晶格石墨烯和两种仿生聚合物组成,能够100%去除饮用水中的染料、金属和有机溶剂。与类似的纳米片不同,科学家的设计是可重复使用的,不会留下残留物,可以用3D打印成更大的尺寸,因此他们现在的目标是将其商业化,用于工业规模的部署。

“目标是安全地从水中除去污染物而不释放任何有问题的化学残留物,”在UB,NIRUPAM AICH的环境工程学士和助理教授。“我们创造的气凝胶在进入水处理系统时持有它们的结构,它们可以应用于各种水处理应用。”

科学家们将超轻G-PDA-BSA气凝胶冷冻干燥后放在Kim纸巾上。
科学家们的3D印刷超轻G-PDA-BSA气凝胶在Kim擦拭上。照片通过布法罗大学。

石墨烯的净化潜力

具有高比表面积和同时发挥静电和疏水相互作用的能力,最近将石墨烯纳米材料作为吸收水污染物的有希望的方法。特别地,材料的石墨烯氧化物(GO)衍生物已经过度测试了用于水净化目的,但从工业过程中恢复的去装置已经证明困难。

最近,科学家们已经尝试将纳米片组装成宏观气凝胶,使它们借给它们更高的吸收能力并使它们更可获得。然而,由于处理限制,这种石墨烯气动凝胶很少部署在处理设施中,这防止它们掺入工业净化反应器,柱和过滤器中。

相比之下,直接墨水写入(DIW)为用户提供精确控制所生产的零件的尺寸,形状和架构,而过程的重复性使其具有高度可扩展性。已经部署了3D打印以创建热电,能量和生物医学石墨烯设备,因此布法罗科学家们推动它也可用于开发大规模制造的水净化系统。

3D印刷瓶盖水过滤系统。
科学家3D将气凝胶印在瓶盖水过滤系统(图中)。照片通过环境科学纳米杂志。

一种可伸缩的水清洗气凝胶

为了快速且始终如一地生产气凝胶,研究人员首先需要产生基于石墨烯的油墨,具有允许吸水性的同时防止颗粒附聚。为此,水牛团队将生物启发的聚德米胺(PDA)和牛血清白蛋白(BSA)添加到去粉末中,产生新的粘弹性优化的3D印刷材料。

利用改进的Ultimaker.2转到3D打印机,然后研究人员在冷冻和冷冻干燥之前制造了12毫米(d)×4mm(h)圆柱形试验样品,留下G-PDA-BSA气凝胶。在随后的测试期间,该团队将其材料暴露于有机溶剂载荷水,作为评估其污染物去除能力的手段。

在每个场合时,石墨烯气凝胶能够去除100%的溶剂,同时将彩色染料污染降低至多20%。在以后的设计迭代中,科学家们甚至设法重新配置了气体,使得它可以根出来的重金属,如铅和铬,仍然难以在当前的水去污设施中难以去除的合金。

通过进一步发展,科学家认为,它们的可扩展方法也可以应用于产生其他功能性可重复使用的纳米材料,其具有诸如吸附剂,反应器或过滤器的装置的水过滤植物的潜在最终用途。

“我们可以使用这些气凝胶不仅含有石墨烯颗粒,而且使用作为催化剂的纳米颗粒,”AICH结束。“未来的目标是将纳米颗粒嵌入墙壁和这些气凝胶的表面中,并且它们不仅可以降解或不仅摧毁生物污染物,还可以摧毁化学污染物。”

3D印刷净化装置

由于3D打印的低成本和设计灵活性,它被越来越多地用于创造新的设备,使饮用水更容易得到那些需要的人。就在去年剑桥大学打滑失控蓝色龙头已收到创新英国为其提供资金3D印刷氯气剂,可安装在发展中国家的水系统中,以便饮用安全。

同样,研究人员浴浴大学已经开发了一个3D印刷水净化'平板','这利用太阳的热量和紫外线光杀死生活在液体中的有害微生物。该技术旨在帮助淡淡的亚洲,非洲和拉丁美洲社区提供清洁的饮用水。

从军国主义的角度来看,GE研究最近被授予了1430万美元国防高级研究项目机构(DARPA)到3D打印设备从薄的空气中产生水。便携式系统正在建造,以一次为最多150名部队提供水,以后可以部署以解决世界各地的水资源稀缺。

研究人员的调查结果在题为“新兴调查员系列:3D印刷石墨烯 - 生物聚合物气凝胶用于水污染物清除:概念证明。“该研究由Arvid Masud,Chi Zhoubb和Nirupam Aich共同撰写。

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特色图片显示科学家冻干的超轻G-PDA-BSA气凝胶,顶部擦拭。照片通过布法罗大学。

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