科学家3D打印可大规模净化水的石墨烯气凝胶

美国布法罗大学（UB）研究人员开发了一种新型3D打印的净水石墨烯气凝胶，该气凝胶可按比例缩放以用于大型废水处理厂。

这种新型材料由类泡沫塑料的气凝胶，格子状石墨烯和两种受生物启发的聚合物组成，能够以100％的效率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，并且可以3D打印成更大的尺寸，因此，他们现在的目标是将其商业化以用于工业规模的部署。

研究的合著者，UB的环境工程助理教授Nirupam Aich解释说："目标是安全地从水中去除污染物，而不会释放任何有问题的化学残留物。" "我们制造的气凝胶在用于水处理系统时可以保持其结构，并且可以应用于多种水处理应用中。"

科学家的3D打印超轻G-PDA-BSA气凝胶在Kim擦布上。图片来自布法罗大学。

石墨烯的提纯潜力

石墨烯纳米材料具有高的比表面积和同时发挥静电和疏水相互作用的能力，最近已成为吸收水污染物的有前途的手段。特别是，已针对水净化目的对材料的氧化石墨烯（GO）衍生物进行了广泛的测试，但事实证明，从工业过程中回收GO装置非常困难。

最近，科学家进行了将纳米片组装成宏观气凝胶的实验，以使它们具有更高的吸收能力并使其更易于回收。然而，由于加工限制，这种石墨烯气凝胶很少部署在处理设施内，这阻止了它们被掺入工业纯化反应器，塔和过滤器中。

相比之下，直接墨水书写（DIW）可为用户提供对所生产零件的尺寸，形状和结构的精确控制，而过程的可重复性使其具有高度可扩展性。3D打印已经被用于创建热，能源和生物医学石墨烯设备，因此布法罗的科学家推测它也可以用于开发大规模生产的净水系统。

科学家3D将他们的气凝胶打印到瓶盖水过滤系统中（如图）。图片来自《环境科学纳米》杂志。

可扩展的水清洁气凝胶

为了快速，一致地生产气凝胶，研究人员首先需要创建一种石墨烯基油墨，该油墨具有能够吸收水并防止颗粒团聚的特性。为了实现这一目标，布法罗团队将受生物启发的聚多巴胺（PDA）和牛血清白蛋白（BSA）添加到GO粉末中，从而产生了一种新型的粘弹性优化的3D打印材料。

利用改造后的Ultimaker 2 GO 3D打印机，研究人员随后制作了12毫米（D）x 4毫米（H）的圆柱形测试样品，然后对其进行冷冻和冷冻干燥，剩下一个G-PDA-BSA气凝胶。在随后的测试中，团队反复将其材料暴露于有机溶剂负载的水中，以此评估其污染物去除能力。

在每种情况下，石墨烯气凝胶都能去除100％的溶剂，同时最多可将有色染料污染减少20％。在后来的设计迭代中，科学家们甚至设法重新配置了他们的气凝胶，以便可以清除铅和铬等重金属，以及在目前的水净化设施中仍然难以去除的合金。

随着进一步的发展，科学家相信，他们的可扩展方法也可以用于创建其他功能可重复使用的纳米材料，并在水过滤厂中以吸附剂，反应器或过滤器等设备的形式最终应用。

"我们不仅可以使用这些气凝胶来包含石墨烯颗粒，还可以使用充当催化剂的纳米金属颗粒，" Aich总结道。"未来的目标是将纳米金属颗粒嵌入这些气凝胶的壁和表面，它们不仅能够降解或破坏生物污染物，而且还能降解或破坏化学污染物。"

3D打印净化设备

鉴于3D打印允许的低成本和设计灵活性，它正越来越多地用于创建新颖的设备，使有需要的人更容易获得饮用水。就在去年，剑桥大学的分拆公司Blue Tap为其3D打印氯计量器获得了Innovate UK的资助，该计量器可以安装在发展中国家的水系统中，以确保饮用安全。

同样，巴斯大学的研究人员开发了一种3D打印的水净化"平板"，该平板利用太阳的热量和紫外线来杀死生活在液体中的有害微生物。该技术旨在帮助向较富裕的亚洲，非洲和拉丁美洲社区提供清洁的饮用水。

更具军事意义的是，GE Research最近获得了美国国防高级研究计划局（DARPA）的1430万美元，以3D打印一种可以凭空产生水的设备。该便携式系统正在构建中，一次可为150名士兵提供水，以后可用于解决世界各地的水资源短缺问题。

研究人员的发现在其题为"新兴研究者系列：用于水污染物去除的3D打印石墨烯-生物聚合物气凝胶：概念验证"的论文中进行了详细说明。这项研究是由Arvid Masud，Chi Zhoub和Nirupam Aich共同撰写的。