科学家开发出可以纯净水的3D打印石墨烯气溶胶

布法罗大学（UB）的研究人员开发了一种新型3D打印的净水石墨烯气凝胶，该气凝胶可以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杂质，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进入水处理系统时会保持其结构，并且可以应用于多种水处理应用中。”

科学家在Kim擦布上3D打印超轻G-PDA-BSA气凝胶。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同时发挥净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，该材料的氧化石墨烯（GO）衍生物已经过广泛测试以用于水净化目的，但是从工业过程中回收GO装置已被证明是困难的。
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，形状和体系结构的精确控制，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。

科学家将他们的气凝胶3D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，它已越来越多地用于制造新颖的设备，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英国创新基金会的资助，可以将其安装在发展中国家的供水系统中，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。

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