Tecnologia Científica

Finalmente, aerogéis de grafeno impressos em 3D para tratamento de água
Um novo processo de impressão 3D de aerogéis de grafeno, segundo os cientistas, supera dois obstáculos principais - escalabilidade e criação de uma versão do material que seja estável o suficiente para uso repetido - para tratamento de água .
Por Melvin Bankhead Iii - 15/04/2021


À esquerda, uma impressora 3D imprimindo a folha de aerogel de grafeno hexagonal. À direita, o aerogel (agora preto) filtra a água suja. Crédito: Ciência Ambiental: Nano

O grafeno é excelente na remoção de contaminantes da água, mas ainda não é um uso comercialmente viável do material maravilhoso.

Isso pode estar mudando.

Em um estudo recente, os engenheiros da University at Buffalo relataram um novo processo de impressão 3D de aerogéis de grafeno que, segundo eles, supera dois obstáculos principais - escalabilidade e criação de uma versão do material que seja estável o suficiente para uso repetido - para tratamento de água .

"O objetivo é remover com segurança os contaminantes da água sem liberar qualquer resíduo químico problemático", diz o coautor do estudo Nirupam Aich, Ph.D., professor assistente de engenharia ambiental na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da UB. "Os aerogéis que criamos mantêm sua estrutura quando colocados em sistemas de tratamento de água e podem ser aplicados em diversas aplicações de tratamento de água ."

O estudo - "aerogéis de biopolímero de grafeno impresso em 3D para remoção de contaminantes da água: uma prova de conceito" - foi publicado na Emerging Investigator Series da revista Environmental Science: Nano . Arvid Masud, Ph.D., ex-aluno do laboratório de Aich, é o autor principal; Chi Zhou, Ph.D., professor associado de engenharia industrial e de sistemas na UB, é coautor.

Um aerogel é um sólido leve e altamente poroso formado pela substituição do líquido em um gel por um gás, de modo que o sólido resultante tenha o mesmo tamanho do original. Eles são semelhantes em configuração estrutural ao isopor: muito porosos e leves, mas fortes e resilientes.

O grafeno é um nanomaterial formado por carbono elementar e é composto por uma única folha plana de átomos de carbono dispostos em uma rede hexagonal repetitiva.

O grafeno é incrivelmente leve. Este aerogel, usado para filtrar água,
fica sobre um único tecido. Crédito: University at Buffalo.

Para criar a consistência certa da tinta à base de grafeno, os pesquisadores olharam para a natureza. Eles adicionaram dois polímeros bioinspirados - polidopamina (um material sintético, muitas vezes referido como PDA, que é semelhante às secreções adesivas de mexilhões) e albumina de soro bovino (uma proteína derivada de vacas).

Em testes, o aerogel reconfigurado removeu certos metais pesados, como chumbo e cromo, que afetam os sistemas de água potável em todo o país. Também removeu corantes orgânicos, como o azul de metileno catiônico e o azul de Evans aniônico, além de solventes orgânicos como hexano, heptano e tolueno.
 
Para demonstrar o potencial de reutilização do aerogel, os pesquisadores usaram solventes orgânicos 10 vezes. Cada vez, ele removeu 100% dos solventes. Os pesquisadores também relataram que a capacidade do aerogel de capturar o azul de metileno diminuiu em 2–20% após o terceiro ciclo.

Os aerogéis também podem ser aumentados em tamanho, diz Aich, porque, ao contrário das nanofolhas, os aerogéis podem ser impressos em tamanhos maiores. Isso elimina um problema anterior inerente à produção em grande escala e torna o processo disponível para uso em grandes instalações, como em estações de tratamento de águas residuais, diz ele. Ele acrescenta que os aerogéis podem ser retirados da água e reutilizados em outros locais, e que não deixam nenhum tipo de resíduo na água.

Aich faz parte de uma colaboração entre a UB e a Universidade de Pittsburgh, liderada pela professora de química da UB Diana Aga, Ph.D., para encontrar métodos e ferramentas para degradar substâncias per- e polifluoroalquila (PFAS), materiais tóxicos difíceis de decompor que eles são conhecidos como "produtos químicos para sempre". Aich observa as semelhanças com seu trabalho com aerogéis 3D e espera que os resultados dos dois projetos possam ser reunidos para criar métodos mais eficazes de remoção de contaminantes transmitidos pela água.

"Podemos usar esses aerogéis não apenas para conter partículas de grafeno, mas também partículas de nanometal que podem atuar como catalisadores", diz Aich. "O objetivo futuro é ter partículas de nanometais embutidas nas paredes e na superfície desses aerogéis e eles seriam capazes de degradar ou destruir não apenas contaminantes biológicos, mas também contaminantes químicos."

Aich, Chi e Masud possuem uma patente pendente para o aerogel de grafeno descrito no estudo e estão em busca de parceiros industriais para comercializar este processo.

 

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