L’aerogel G-PDA-BSA ultraleggero di grafene stampato in 3D per la purificazione dell’acqua

GLI SCIENZIATI STAMPANO IN 3D AEROGEL DI GRAFENE CHE PURIFICANO L’ACQUA SU LARGA SCALA

I ricercatori dell’Università di Buffalo (UB) hanno sviluppato un nuovo aerogel di grafene per la purificazione dell’acqua stampato in 3D che potrebbe essere ridimensionato per l’uso in grandi impianti di trattamento delle acque reflue.

Composto da un aerogel simile a polistirolo, grafene reticolato e due polimeri di ispirazione biologica, il nuovo materiale è in grado di rimuovere coloranti, metalli e solventi organici dall’acqua potabile con un’efficienza del 100%. A differenza di nanofogli simili, il design degli scienziati è riutilizzabile, non lascia residui e può essere stampato in 3D in dimensioni maggiori, quindi ora mirano a commercializzarlo per la distribuzione su scala industriale.

“L’obiettivo è rimuovere in sicurezza i contaminanti dall’acqua senza rilasciare alcun residuo chimico problematico”, ha spiegato il coautore dello studio e assistente professore di ingegneria ambientale presso l’UB, Nirupam Aich. “Gli aerogel che abbiamo creato mantengono la loro struttura quando vengono inseriti nei sistemi di trattamento dell’acqua e possono essere applicati in diverse applicazioni di trattamento dell’acqua”.

Con un’elevata superficie specifica e la capacità di esercitare simultaneamente interazioni elettrostatiche e idrofobiche, i nanomateriali di grafene sono recentemente emersi come mezzi promettenti per assorbire i contaminanti dell’acqua. In particolare, il derivato dell’ossido di grafene (GO) del materiale è stato ampiamente testato per scopi di purificazione dell’acqua, ma il recupero dei dispositivi GO dai processi industriali si è rivelato difficile.

Recentemente, gli scienziati hanno sperimentato l’assemblaggio di nanofogli in aerogel macroscopici, conferendo loro una maggiore capacità di assorbimento e rendendoli più recuperabili. Tuttavia, tali aerogel di grafene sono raramente utilizzati all’interno degli impianti di trattamento a causa delle limitazioni di lavorazione, che ne impediscono l’incorporazione nei reattori di purificazione industriale, nelle colonne e nei filtri.

Al contrario, Direct Ink Writing (DIW) offre agli utenti un controllo preciso sulle dimensioni, la forma e l’architettura delle parti prodotte, mentre la ripetibilità del processo lo rende altamente scalabile. La stampa 3D è già stata implementata per creare dispositivi di grafene termici, energetici e biomedicali, quindi gli scienziati di Buffalo hanno ipotizzato che potrebbe essere utilizzata anche per sviluppare un sistema di purificazione dell’acqua prodotto in serie.

Per produrre aerogel in modo rapido e coerente, i ricercatori dovevano prima creare un inchiostro a base di grafene, con le proprietà per consentire l’assorbimento dell’acqua prevenendo l’agglomerazione delle particelle. Per ottenere ciò, il team di Buffalo ha aggiunto la polidopamina (PDA) bio-ispirata e l’albumina di siero bovino (BSA) a una polvere GO, ottenendo un nuovo materiale di stampa 3D ottimizzato per la viscoelasticità.

Sfruttando una stampante 3D Ultimaker 2 GO retrofittata , i ricercatori hanno quindi fabbricato un campione cilindrico di 12 mm (D) x 4 mm (H), prima di congelarlo e liofilizzare, lasciando un aerogel G-PDA-BSA. Durante i test successivi, il team ha esposto ripetutamente il proprio materiale ad acqua caricata con solventi organici, come mezzo per valutare la sua capacità di rimozione dei contaminanti.

In ogni occasione, l’aerogel di grafene è stato in grado di rimuovere il 100% dei solventi, riducendo la contaminazione da coloranti colorati fino al 20%. Nelle successive iterazioni di progettazione, gli scienziati sono persino riusciti a riconfigurare il loro aerogel, in modo che potesse sradicare metalli pesanti come piombo e cromo, leghe che rimangono difficili da rimuovere negli attuali impianti di decontaminazione dell’acqua.

Con l’ulteriore sviluppo, gli scienziati ritengono che il loro approccio scalabile potrebbe essere applicato anche per creare altri nanomateriali riutilizzabili funzionali, con potenziali applicazioni finali negli impianti di filtrazione dell’acqua sotto forma di dispositivi come adsorbenti, reattori o filtri.

“Possiamo usare questi aerogel non solo per contenere particelle di grafene, ma anche particelle nanometriche che agiscono da catalizzatori”, ha concluso Aich. “L’obiettivo futuro è di avere particelle nanometriche incorporate nelle pareti e nella superficie di questi aerogel, e sarebbero in grado di degradare o distruggere non solo i contaminanti biologici, ma anche i contaminanti chimici”.

Dispositivi di purificazione stampati in 3D

Dato il basso costo e la flessibilità di progettazione consentiti dalla stampa 3D, viene sempre più utilizzata per creare nuovi dispositivi che rendono l’acqua potabile più facilmente disponibile a chi ne ha bisogno. Proprio l’anno scorso, lo spin-out Blue Tap dell’Università di Cambridge ha ricevuto il finanziamento Innovate UK per il suo dosatore di cloro stampato in 3D , che può essere montato sui sistemi idrici nei paesi in via di sviluppo per renderlo sicuro da bere.

Allo stesso modo, i ricercatori dell’Università di Bath hanno sviluppato una “ lastra ” di purificazione dell’acqua stampata in 3D, che utilizza il calore del sole e la luce UV per uccidere i microbi dannosi che vivono nei liquidi. La tecnologia è progettata per aiutare a fornire acqua potabile pulita alle comunità asiatiche, africane e latinoamericane meno abbienti.

Su una nota più militarista, GE Research ha recentemente ricevuto 14,3 milioni di dollari dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) per stampare in 3D un dispositivo che crea acqua dal nulla . Il sistema portatile è stato costruito per fornire acqua a un massimo di 150 soldati alla volta e potrebbe essere successivamente schierato per affrontare la scarsità d’acqua in tutto il mondo.

I risultati dei ricercatori sono dettagliati nel loro documento intitolato ” Serie di ricercatori emergenti: aerogel di grafene-biopolimero stampati in 3D per la rimozione dei contaminanti dell’acqua: una prova di concetto “. La ricerca è stata scritta in collaborazione con Arvid Masud, Chi Zhoub e Nirupam Aich.

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