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

El grafeno destaca en la eliminación de contaminantes del agua, pero aún no existe un uso comercialmente viable del maravilloso material. Eso podría estar cambiando. En un estudio reciente, los ingenieros de la Universidad de Buffalo informan sobre un nuevo proceso de impresión 3D de aerogeles de grafeno que, según aseguran, supera dos obstáculos clave: la escalabilidad y la creación de una versión del material que sea lo suficientemente estable para un uso repetido con fines de tratamiento del agua.

«El objetivo es eliminar de manera segura los contaminantes del agua sin liberar ningún residuo químico problemático«, comenta el coautor del estudio y doctor Nirupam Aich, profesor asistente de ingeniería ambiental en 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 se pueden aplicar en diversas aplicaciones de este tipo«.

El estudio, «Aerogeles de biopolímero de grafeno impresos en 3D para la eliminación de contaminantes del agua: una prueba de concepto«, se publicó en la serie Emerging Investigator de la revista Environmental Science: Nano. El doctor Arvid Masud, exalumno del laboratorio de Aich, es el autor principal; el doctor Chi Zhou, profesor asociado de ingeniería industrial y de sistemas en la UB, es coautor.

«Podemos usar estos aerogeles no sólo para contener partículas de grafeno, sino también partículas de nanometales que pueden actuar como catalizadores«

Un aerogel es un sólido ligero y muy poroso formado por la sustitución del líquido de un gel por un gas de modo que el sólido resultante tenga el mismo tamaño que el original. Son similares en configuración estructural a la espuma de poliestireno: muy porosos y livianos, pero fuertes y resistentes.

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

Para crear la consistencia adecuada de la tinta basada en grafeno, los investigadores se fijaron en la naturaleza, la gran maestra. Le agregaron dos polímeros bioinspirados: polidopamina (un material sintético, a menudo denominado PDA, que es similar a las secreciones adhesivas de los mejillones) y 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 afectan los sistemas de agua potable en todo el mundo. También eliminó los tintes orgánicos, como el azul de metileno catiónico y el azul de Evans aniónico, así como los disolventes orgánicos como el hexano, el heptano y el tolueno.

Los aerogeles también se pueden ampliar en tamaño

Para demostrar el potencial de reutilización del aerogel, los investigadores pasaron disolventes orgánicos a través de él 10 veces. Cada vez, eliminó el 100% de los solventes. Los investigadores también informan de que la capacidad del aerogel para capturar azul de metileno disminuyó entre un 2 y un 20% después del tercer ciclo.

Los aerogeles también se pueden ampliar en tamaño, según Aich, porque a diferencia de las nanohojas, los aerogeles se pueden imprimir en tamaños más grandes. Esto elimina un problema anterior inherente a la producción a gran escala y consigue que el proceso esté disponible para su uso en grandes instalaciones, como en plantas de tratamiento de aguas residuales. Aich agrega que los aerogeles se pueden quitar del agua y reutilizar en otros lugares, y que no dejan ningún tipo de residuo en el líquido.

Aich es parte de una colaboración entre la UB y la Universidad de Pittsburgh, dirigida por una profesora de química de la UB, la doctora Diana Aga, para encontrar métodos y herramientas para degradar las sustancias per y polifluoroalquilo (PFAS), materiales tóxicos difíciles de descomponer, que se conocen como «productos químicos permanentes». Aich observa las similitudes con su trabajo con aerogeles 3D y espera que los resultados de los dos proyectos puedan combinarse para crear métodos más efectivos para eliminar los contaminantes transmitidos por el agua.

«Podemos usar estos aerogeles no sólo para contener partículas de grafeno, sino también partículas de nanometales que pueden actuar como catalizadores«, asegura Aich. «El objetivo futuro es tener partículas de nanometales incrustadas en las paredes y la superficie de estos aerogeles y podrían degradar o destruir no sólo los contaminantes biológicos, sino también los contaminantes 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.

Fuente: Environmental Science: Nano.