Графеновый фильтр для воды: Разработаны новые графеновые фильтры для воды

Разработаны новые графеновые фильтры для воды

22.01.2021 17:12

4673

Добавить в закладки

Когда листы двумерных наноматериалов, таких как графен,
укладываются друг на друга, между листами образуются крошечные
промежутки, которые имеют множество потенциальных применений. В
статье, опубликованной в
журнале Nature Communications, группа исследователей из
Университета Брауна описывает свой способ сориентировать эти
промежутки таким образом, чтобы применить их для фильтрации воды
и других жидкостей от загрязняющих частиц наноразмеров, сообщает
пресс-служба вуза. 

Промежутки между листами графена, о которых идет речь, называются
наноканалами. На самом деле для фильтрации воды их сложно
использовать – из-за расположения наноканалов. Представьте себе
записную книжку, в которой вместо листов бумаги – листы
графена. Они тоньше в вертикальном направлении по сравнению
с длиной и шириной в горизонтальной плоскости. Это означает, что
каналы между листами также ориентированы горизонтально,
что не идеально подходит для фильтрации: жидкость
должна пройти относительно долгий путь, чтобы добраться от одного
конца канала до другого. Было бы лучше, если бы каналы были
перпендикулярны ориентации листов. В этом случае жидкость должна
будет пройти только относительно тонкую вертикальную высоту
стопки.

Ученые из Университета Брауна нашли способ сделать эти наноканалы
вертикальными. Их метод заключается в наложении листов графена на
эластичную подложку, которую растягивают. После того, как все
листы уложены, натяжение основы снимается – и она сжимается.
Когда это происходит, графен собирается в гармошку, образуя
подъемы и впадины, а каналы при этом наклоняются.

Как только каналы становятся почти вертикальными, сборка
покрывается эпоксидной смолой, а затем верхняя и нижняя части
обрезаются, что открывает каналы на всем протяжении материала.
Свою мембрану ученые назвали VAGME (вертикально
ориентированная графеновая мембрана).

«В результате мы получаем мембрану с короткими и очень узкими
каналами, через которые могут проходить только очень маленькие
молекулы, – отметили автора работы. – Так, например, вода может
проходить, но органические частицы или ионы некоторых металлов
будут слишком большими, чтобы пройти через них. Так что вы можете
их отфильтровать».

Тестирование мембраны показало, что водяной пар может легко
просачиваться через VAGME, а гексан – более крупная органическая
молекула – отфильтровывается. Исследователи планируют продолжить
разработку технологии с учетом возможных промышленных или бытовых
применений фильтрации.

[Иллюстрация: HURT LAB / BROWN UNIVERSITY]

Автор Материал Оформила Татьяна Матвеева

VAGME
графен
графеной фильтр для воды
наноканалы
фильтры для воды

Источник:
www.brown.edu

Информация предоставлена Информационным агентством «Научная Россия». Свидетельство о регистрации СМИ: ИА № ФС77-62580, выдано
Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций 31 июля 2015 года.

НАУКА ДЕТЯМ

Михаил Кирпичников переизбран академиком-секретарем отделения биологических наук РАН

10:30 / Наука и общество

Творец луноходов. Более века назад родился советский инженер-конструктор Георгий Бабакин

10:00 / Космонавтика

Объявлен старт 68-й Российской антарктической экспедиции

14:00 / География, Науки о земле

Ученые Пермского Политеха увеличили срок жизни зеркальной системы

12:00 / Инженерия

Президент ИМЭМО РАН Александр Дынкин переизбран на должность академика-секретаря отделения глобальных проблем и международных отношений РАН

10:30 / Экономика, Общее собрание РАН 2022

Скромный просветитель. День рождения основателя Московского университета Ивана Шувалова

10:00 / История

11 ноября – Международный день энергосбережения

17:30 / Физика, Энергетика

В МГУ состоится дискуссия «Преступления против семьи и несовершеннолетних»

16:30 / Наука и общество

В ЛЭТИ смогли на 10% повысить качество диагностики соединений подводных оптоволоконных кабелей

15:30 / Новые технологии

Студенты МИСИС научили искусственный интеллект «писать» пьесы

15:00 / Досуг, Новые технологии

Памяти великого ученого. Наука в глобальном мире. «Очевиднное — невероятное» эфир 10.05.2008

04.03.2019

Памяти великого ученого. Нанотехнологии. «Очевидное — невероятное» эфир 3.08.2002

04.03.2019

Вспоминая Сергея Петровича Капицу

14.02.2017

Смотреть все

графеновый аэрогель очистил воду от примесей

15 апреля 2021
17:56

Ольга Мурая

Графен – лёгкий и прочный материал. Учёные находят ему применение в самых разных областях науки, от электроники до медицины.

Фото Arvid Masud et al./Environmental Science: Nano, 2021.

Этот аэрогель настолько лёгок, что обычная салфетка выдерживает вес таблетки из него.

Фото University at Buffalo.

Напечатанный на 3D-принтере графеновый фильтр очищает воду от 100% органических загрязнений. При этом его можно использовать повторно. Создатели этого материала уверяют, что их инновационное изобретение можно будет использовать даже на крупных очистных сооружениях.

Инженеры из Университета Буффало в США разработали новый метод очистки воды, использовав уникальные свойства чудо-материала графена. Исследователи утверждают, что их разработку можно воссоздать в самых разных размерах и, что важно, использовать полученный материал несколько раз.

Получается, учёные преодолели две основных преграды в работе с графеном: масштабируемость и неустойчивость материала. С точки зрения эксплуатационных характеристик новая разработка тоже не подвела: получившийся фильтр успешно очищает воду от 100% биологических загрязнителей.

«Цель [исследования] заключалась в удалении загрязнителей из воды без выделения [в неё] каких-либо проблемных химических остатков. Созданный нами аэрогель сохраняет свою структуру, располагаясь внутри системы очистки воды, и может применяться в самых разных очистительных системах», – объясняет соавтор работы профессор Нирупам Айч (Nirupam Aich) из Университета Буффало.

Напомним, что аэрогель – это ультралёгкий и ультрапористый материал, который получают, замещая жидкости в составе геля газом. Так получается твёрдая и практически невесомая структура, которая сохраняет изначальный объём.

Аэрогель можно сравнить с привычным пенопластом: он очень пористый и лёгкий, но при этом жёсткий и устойчивый к внешним воздействиям материал.

Графен – уже ставший легендой материал, который не нуждается в лишних представлениях. Он представляет собой решётку из атомов углерода толщиной всего в один атом.

Чтобы придать чернилам для печати на 3D-принтере нужную консистенцию, учёные использовали два дополнительных полимера: синтетический полидофамин и бычий сывороточный альбумин.

Эксперименты показали, что новый аэрогель удаляет из воды некоторые тяжёлые металлы вроде свинца и хрома, которые часто находят в питьевой воде. Также полученный материал успешно очистил воду от органических красителей, таких как катионный метиленовый синий и анионный синий Эванса, и от органических растворителей, таких как гексан, гептан и толуол.

Этот аэрогель настолько лёгок, что обычная салфетка выдерживает вес таблетки из него.

Фото University at Buffalo.

Учёные пропустили органические растворители через графеновый фильтр целых десять раз, чтобы продемонстрировать потенциал его повторного использования. Каждый раз аэрогель удалял 100% растворителей.

Исследователи отметили, что в случае с красителем метиленовым синим фильтрационная способность материала падала на 2-20% к третьему циклу очистки.

Также создатели материала показали, что в отличие от плоских нанолистов графена, их аэрогель можно напечатать на 3D-принтере практически в любом масштабе. Это позволит использовать инновационный аэрогель в больших объёмах, например, на крупных очистных сооружениях.

К тому же, по словам разработчиков, графеновый фильтр можно использовать несколько раз, и он сам при этом не разрушается, а значит, не добавляет в очищаемую воду никаких посторонних соединений.

Теперь учёные планируют создать подобный аэрогель с внедрёнными в него наночастицами металлов: такие структуры смогут фильтровать не только биологические, но и химические загрязнители. Также они планируют запатентовать своё изобретение для использования в промышленности.

Исследование было опубликовано в издании Environmental Science: Nano.

Больше новостей из мира науки и технологий вы найдёте в разделе «Наука» на медиаплатформе «Смотрим«.

технологии
наука
3D-печать
графен
новости
очистные сооружения

Ранее по теме

• Зачем российские двигатели для космоса хотят делать из керамики

• Новый наноматериал обладает антиоксидантными свойствами

• Создан нанокомпозит для российских накопителей возобновляемой энергии

• Российский нанонаполнитель увеличил объем метана в газовом баллоне

• Прорыв: инженеры создали ярко светящиеся растения, которые можно перезаряжать

• Борьба с облысением: рост волос стимулирует новый пластырь с микроиглами

Графеновые фильтры для воды для опреснения и фильтрации тяжелых металлов (мышьяк, уран и т.

д.)

• Главная >
• Образовательный центр >
• Новости водоподготовки >
• Графеновые фильтры для воды

Графен — самый тонкий двумерный материал в мире, и отдельный лист почти полностью прозрачен из-за его чрезвычайной тонкости. Он удивительно прочен для того, насколько он тонкий, что делает его гипотетически возможным для использования в широком спектре отраслей, включая электронику, хранение энергии, фильтрацию воды и многое другое. Графен невероятно легко производить в качестве базового материала, и он был теоретизирован на протяжении десятилетий, прежде чем, наконец, в 2004 году исследователи из Манчестерского университета должным образом выделили его. В 2010 году этим исследователям была присуждена Нобелевская премия по физике за работу по изучению графена.

Ранние исследования и анализ показали, что графен обладает способностью эффективно удалять из воды большинство тяжелых металлов, таких как уран и мышьяк. Графен также успешно использовался для опреснения (удаления соли) воды. К сожалению, технология очистки воды с помощью графена все еще находится в стадии разработки и недоступна для потребителей. Тем не менее, продукты HomePlus предлагают различные решения по очистке воды для удаления тяжелых металлов, опреснения и обработки от вирусов/бактерий, которые являются разумными по цене и эффективными.

Графеновые фильтры для удаления тяжелых металлов

Ранний анализ графеновых фильтров для воды показал их способность удалять тяжелые металлы, такие как мышьяк и уран, из питьевой воды. Мышьяк и уран являются двумя наиболее опасными тяжелыми металлами, которые обычно встречаются в системах водоснабжения и часто являются мишенью для технологий очистки воды. При высоких концентрациях потребление обоих этих металлов может вызвать значительные долгосрочные последствия для здоровья. В настоящее время можно использовать несколько технологий очистки воды для уменьшения или удаления тяжелых металлов из питьевой воды.

Наиболее похожим на сегодняшний день методом фильтрации воды на основе графена является метод обратного осмоса (RO). RO — это, по сути, фильтр очень тонкой очистки, способный удалять различные загрязнения из питьевой воды. При использовании обратного осмоса важно понимать, что будут происходить некоторые потери воды, поскольку фильтры необходимо регулярно очищать от загрязняющих веществ, которые они задержали. Эти же отходы будут присутствовать в фильтре на основе графена, когда он появится на рынке. Эта очистка помогает предотвратить засорение очень тонких фильтров осадком, что в противном случае произошло бы очень быстро.

Другим возможным решением для удаления тяжелых металлов является система фильтрации Metsorb. Metsorb представляет собой наполнитель на основе диоксида титана, который адсорбирует (удерживает) загрязнения. Эти системы в основном используются для удаления мышьяка III и V (трехвалентного и пятивалентного), но они также удаляют различные тяжелые металлы, включая свинец, кадмий, медь, хром+6, селен и цинк. Важно отметить, что Metsorb также может удалять уран из вашей питьевой воды. Как и в системах обратного осмоса, необходимо время от времени проводить очистку (в данном случае обратную промывку системы), чтобы предотвратить прилипание слишком большого количества загрязняющих веществ к среде. Этот цикл обратной промывки также продлевает срок службы носителя.

Опреснение соленой воды с помощью графеновых фильтров

Одной из основных областей изучения методов фильтрации воды на основе графена является эффективное опреснение (удаление соли) воды. Это в первую очередь предназначено для более промышленных масштабов (опреснение морской воды для городов / поселков / деревень и т. Д.), Но также может быть потенциально уменьшено до домашнего решения с высоким содержанием соли в воде.

Обычно колодезная/поверхностная питьевая вода не содержит особенно много соли и не представляет опасности для здоровья. Однако могут возникнуть две возможные ситуации, которые могут вызвать беспокойство по поводу более высокого содержания соли. Во-первых, если у кого-либо в доме есть проблемы со здоровьем, которые делают их более восприимчивыми к заболеванию в результате повышенного содержания соли (болезни сердца и т. д.). Другое дело, если у вас жесткая вода и вы используете традиционный смягчитель воды с соляным раствором для очистки среды. Хотя это и не является экстремальным, содержание соли в воде, прошедшей через умягчитель соляного раствора, несколько увеличивается, и иногда рекомендуется удалить дополнительную соль, добавленную в воду.

Основной технологией, которую мы используем для удаления соли из воды, является обратный осмос (RO). RO не только удалит из воды избыток солей, но также может удалить другие опасные загрязнители, такие как мышьяк, уран, фторид и другие. Хотя фильтры на основе графена, вероятно, также могут успешно удалять все эти загрязнения, маловероятно, что системы на основе графена могут делать это значительно более эффективно, чем технология обратного осмоса, которую мы уже используем сегодня. Пока еще неизвестно, какие новые инновации в опреснении с помощью фильтрации на основе графена появятся на рынке, на данный момент системы на основе обратного осмоса являются лучшим способом обеспечить успешное опреснение питьевой воды.

графен для удаления вирусов и бактерий вызывают такие патогены, как кишечная палочка, криптоспоридии и лямблии.

Однако из-за того, что размеры пор графеновых фильтров могут достигать 5 нанометров (примерно в 20 000 раз меньше человеческого волоса), они, вероятно, смогут удалять большинство этих опасных патогенов из воды. Наименьшим инфекционным агентом, с которым мы обычно имеем дело, является кишечная палочка размером около 500 нанометров. Из-за чрезвычайно малого размера пор фильтра в графеновых фильтрах они гипотетически должны быть в состоянии полностью удалить кишечную палочку из источников воды. Giardia и Cryptosporidium намного крупнее по размеру и поэтому также могут быть легко удалены с помощью тонкого графенового фильтра. Обратный осмос (RO) уже может удалить все эти опасные патогены из воды. Однако это указывает на то, что графеновые фильтры также должны работать для удаления этих биоорганических загрязнителей.

В то время как методы тонкой фильтрации могут технически удалить опасные патогены из воды, HomePlus настоятельно рекомендует использовать ультрафиолетовые (УФ) стерилизаторы для дезактивации или уничтожения этих микробиологических загрязнителей. Во многом это связано с тем, что, хотя обратный осмос может удалять загрязняющие вещества из воды, бактерии и вирусы могут проникать через фильтры тонкой очистки и заражать другую (отфильтрованную) сторону вашей воды. УФ, с другой стороны, не имеет этого недостатка и может использоваться либо в качестве основного дезинфицирующего средства в случае поверхностной или колодезной воды, которая подвержена риску загрязнения, либо в качестве резервного средства на случай, если что-то начнет проникать или расти в вашем вода. УФ-фильтр прост в обслуживании и полностью деактивирует или удалит из воды всех тех паразитов и бактерий, которые гипотетически могут удалить графеновые фильтры.

Хотя существуют очень интересные возможности для методов фильтрации на основе графена выйти на потребительский рынок в ближайшие годы, технология еще не готова. Однако существует несколько других современных технологий, которые могут помочь решить различные проблемы и загрязнители воды, на которых в настоящее время тестируются графеновые системы. Продукты HomePlus предлагают широкий выбор вариантов фильтрации воды как для всего дома, так и для водоподготовки в месте использования. Если вам нужна помощь в определении размера системы или дальнейшем обсуждении очистки вашей воды от загрязняющих веществ, вы можете позвонить нам по бесплатному номеру 1-866-376-269.0, чтобы поговорить с одним из наших сертифицированных специалистов по водоснабжению.

Использование графеновой пены для фильтрации токсинов из питьевой воды | MIT News

Некоторые виды загрязнения воды, такие как цветение водорослей и пластик, загрязняющий реки, озера и морскую среду, находятся на виду. Но другие загрязняющие вещества не столь очевидны, что делает их воздействие потенциально более опасным. Среди этих невидимых веществ есть уран. Выщелачиваясь в водные ресурсы в результате добычи полезных ископаемых, ядерных отходов или из естественных подземных месторождений, этот элемент теперь можно найти вытекающим из кранов по всему миру.

Только в Соединенных Штатах «многие районы подвержены загрязнению ураном, в том числе водоносные горизонты Высоких равнин и Центральной долины, которые снабжают питьевой водой 6 миллионов человек», — говорит Ахмед Сами Хелал, постдоктор Департамента ядерных наук и Инжиниринг. Это загрязнение представляет непосредственную и реальную опасность. «Даже небольшие концентрации вредны для здоровья человека», — говорит Джу Ли, профессор ядерной науки и инженерии Battelle Energy Alliance, а также профессор материаловедения и инженерии.

Команда под руководством Ли разработала высокоэффективный метод удаления урана из питьевой воды. Применяя электрический заряд к пене оксида графена, исследователи могут улавливать уран в растворе, который выпадает в осадок в виде конденсированного твердого кристалла. Пену можно использовать повторно до семи раз без потери ее электрохимических свойств. «За считанные часы наш процесс может очистить большое количество питьевой воды от уровня содержания урана ниже предела EPA», — говорит Ли.

Статья с описанием этой работы была опубликована на этой неделе Расширенные материалы. Двумя первыми соавторами являются Хелал и Чао Ван, постдок в Массачусетском технологическом институте во время исследования, который сейчас работает в Школе материаловедения и инженерии Университета Тунцзи в Шанхае. В исследовании также приняли участие исследователи из Аргоннской национальной лаборатории, Тайваньского национального университета Цзяодун и Токийского университета. Агентство по уменьшению угрозы обороны (Министерство обороны США) финансировало более поздние этапы этой работы.

Борьба с загрязнением

Проект, запущенный три года назад, начался как попытка найти лучшие подходы к очистке окружающей среды от тяжелых металлов на рудниках. На сегодняшний день методы восстановления таких металлов, как хром, кадмий, мышьяк, свинец, ртуть, радий и уран, оказались ограниченными и дорогими. «Эти методы очень чувствительны к органическим веществам в воде и плохо отделяют загрязнители тяжелыми металлами», — объясняет Хелал. «Поэтому они связаны с длительным временем работы, высокими капитальными затратами и в конце экстракции образуют более токсичный шлам».

Для команды уран показался особенно привлекательной целью. Полевые испытания, проведенные Геологической службой США и Агентством по охране окружающей среды (EPA), выявили опасные для здоровья уровни урана, попадающего в резервуары и водоносные горизонты из природных источников горных пород на северо-востоке США, из прудов и ям, в которых хранится старое ядерное оружие и топливо в таких местах, как Хэнфорд. , Вашингтон, и от добычи полезных ископаемых во многих западных штатах. Этот вид загрязнения распространен и во многих других странах. Вызывающее тревогу количество таких объектов показывает концентрацию урана, близкую или превышающую рекомендуемый EPA потолок в 30 частей на миллиард (ppb) — уровень, связанный с повреждением почек, риском рака и нейроповеденческими изменениями у людей.

Важнейшая задача заключалась в том, чтобы найти практический процесс восстановления, исключительно чувствительный к урану, способный извлекать его из раствора без образования токсичных остатков. И хотя более ранние исследования показали, что электрически заряженное углеродное волокно может отфильтровывать уран из воды, результаты были частичными и неточными.

Ван удалось решить эти проблемы, основываясь на своем исследовании поведения вспененного графена, используемого для литий-серных батарей. «Физические характеристики этой пены были уникальными из-за ее способности притягивать к своей поверхности определенные химические вещества», — говорит она. «Я думал, что лиганды в графеновой пене будут хорошо работать с ураном».

Просто, эффективно и чисто

Команда приступила к работе по превращению пенопласта графена в эквивалент уранового магнита. Они узнали, что, посылая электрический заряд через пену, расщепляя воду и выделяя водород, они могут повысить местный pH и вызвать химическое изменение, которое вытянет ионы урана из раствора. Исследователи обнаружили, что уран прививается к поверхности пены, где он образует невиданный ранее кристаллический гидроксид урана. При изменении направления электрического заряда минерал, напоминающий рыбью чешую, легко соскальзывал с пены.

Потребовались сотни попыток, чтобы получить правильный химический состав и электролиз. «Мы постоянно меняли функциональные химические группы, чтобы заставить их работать правильно», — говорит Хелал. «Изначально пена была довольно хрупкой и могла разбиться на куски, поэтому нам нужно было сделать ее более прочной и долговечной», — говорит Ван.

Этот процесс фильтрации урана прост, эффективен и чист, по словам Ли: «Каждый раз, когда он используется, наша пена может захватывать в четыре раза больше собственного веса урана, и мы можем достичь эффективности извлечения 4000 мг на грамм, что является значительным улучшением по сравнению с другими методами», — говорит он. «Мы также совершили большой прорыв в возможности повторного использования, потому что пена может пройти семь циклов без потери эффективности извлечения». Пена графена также работает в морской воде, где она снижает концентрацию урана с 3 до 19 частей на миллион. 0,9 ppb, что свидетельствует о том, что другие ионы в рассоле не мешают фильтрации.

Команда считает, что ее недорогое и эффективное устройство может стать новым типом домашнего фильтра для воды, подходящим для смесителей, как у коммерческих брендов. «В некоторых из этих фильтров уже есть активированный уголь, поэтому, возможно, мы могли бы модифицировать их, добавив низковольтное электричество для фильтрации урана», — говорит Ли.

«Извлечение урана, которого достигает это устройство, очень впечатляет по сравнению с существующими методами», — говорит Хо Джин Рю, доцент кафедры ядерной и квантовой инженерии в Корейском передовом институте науки и технологий. Рю, не участвовавший в исследовании, считает, что демонстрация возможности повторного использования графеновой пены является «значительным достижением» и что «технология локального контроля pH для усиления осаждения урана будет иметь большое значение, поскольку научный принцип можно применять более широко». извлечению тяжелых металлов из загрязненной воды».