16.04.2021 - University at Buffalo

Por fin, aerogeles de grafeno impresos en 3D para el tratamiento del agua

Un estudio muestra cómo fabricar aerogeles estables y de gran tamaño que eliminan metales pesados, disolventes orgánicos y tintes orgánicos

El grafeno es excelente para eliminar los contaminantes del agua, pero aún no es un uso comercialmente viable de este material maravilloso. Eso podría cambiar.

En un estudio reciente, los ingenieros de la Universidad de Búfalo informan de un nuevo proceso de impresión en 3D de aerogeles de grafeno que, según dicen, supera dos obstáculos clave -la escalabilidad y la creación de una versión del material lo suficientemente estable para su uso repetido- para el tratamiento del agua.

"El objetivo es eliminar de forma segura los contaminantes del agua sin liberar ningún residuo químico problemático", afirma el coautor del estudio, el doctor Nirupam Aich, profesor adjunto de ingeniería medioambiental de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la UB. "Los aerogeles que hemos creado mantienen su estructura cuando se colocan en sistemas de tratamiento de agua, y pueden aplicarse en diversas aplicaciones de tratamiento de agua".

El estudio se ha publicado en la serie Emerging Investigator de la revista Environmental Science: Nano. Arvid Masud, PhD, antiguo estudiante del laboratorio de Aich, es el autor principal; Chi Zhou, PhD, profesor asociado de ingeniería industrial y de sistemas de la UB, es coautor.

Un aerogel es un sólido ligero y muy poroso que se forma al sustituir el líquido de un gel por un gas, de modo que el sólido resultante tiene el mismo tamaño que el original. Su configuración estructural es similar a la de la espuma de poliestireno: muy porosa y ligera, pero fuerte y resistente.

El grafeno es un nanomaterial formado por carbono elemental y está compuesto por una única lámina plana de átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal repetitiva.

Para crear la consistencia adecuada de la tinta a base de grafeno, los investigadores recurrieron a la naturaleza. Le añadieron dos polímeros bioinspirados: la polidopamina (un material sintético, a menudo denominado PDA, que es similar a las secreciones adhesivas de los mejillones) y la albúmina de suero bovino (una proteína derivada de las vacas).

En las pruebas, el aerogel reconfigurado eliminó ciertos metales pesados, como el plomo y el cromo, que plagan los sistemas de agua potable de todo el país. También eliminó tintes orgánicos, como el azul de metileno catiónico y el azul de Evans aniónico, así como disolventes orgánicos como el hexano, el heptano y el tolueno.

Para demostrar el potencial de reutilización del aerogel, los investigadores lo hicieron pasar por disolventes orgánicos 10 veces. Cada vez, eliminó el 100% de los disolventes. Los investigadores también informaron de que la capacidad del aerogel para capturar azul de metileno disminuía entre un 2 y un 20% después del tercer ciclo.

Según Aich, los aerogeles también pueden ampliarse en tamaño porque, a diferencia de las nanoplanchas, los aerogeles pueden imprimirse en tamaños mayores. Esto elimina un problema anterior inherente a la producción a gran escala, y hace que el proceso pueda utilizarse en grandes instalaciones, como en las plantas de tratamiento de aguas residuales, dice. Añade que los aerogeles pueden extraerse del agua y reutilizarse en otros lugares, y que no dejan ningún tipo de residuo en el agua.

Aich forma parte de una colaboración entre la UB y la Universidad de Pittsburgh, dirigida por la profesora de química de la UB Diana Aga, PhD, para encontrar métodos y herramientas que permitan degradar las sustancias perfluoroalquiladas y polifluoradas (PFAS), materiales tóxicos tan difíciles de descomponer que se conocen como "sustancias químicas para siempre". Aich señala las similitudes con su trabajo con los aerogeles 3D, y espera que los resultados de los dos proyectos puedan unirse para crear métodos más eficaces de eliminación de contaminantes en el agua.

"Podemos utilizar estos aerogeles no sólo para contener partículas de grafeno, sino también partículas nanométricas que pueden actuar como catalizadores", afirma Aich. "El objetivo futuro es tener partículas nanométricas incrustadas en las paredes y la superficie de estos aerogeles y que sean capaces de degradar o destruir no sólo los contaminantes biológicos, sino también los químicos".

Aich, Chi y Masud tienen una patente pendiente para el aerogel de grafeno descrito en el estudio, y están buscando socios industriales para comercializar este proceso.

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