Trong một nghiên cứu gần đây, các kỹ sư của Đại học tại Buffalo (UB) đã báo cáo một quy trình xử lý mới của graphene aerogel in 3D mà họ cho rằng nó có khả năng vượt qua hai rào cản để xử lý nước chính đó là: khả năng mở rộng và tạo ra một phiên bản vật liệu đủ ổn định để sử dụng nhiều lần.

Graphene aerogel là loại vật liệu nhẹ nhất thế thế giới với trọng lượng nhẹ hơn gấp 7,5 lần so với không khí, 1 mét khối graphene aerogel cũng chỉ nặng chưa đầy 160 gram. Thậm chí, graphene aerogel nhẹ hơn loại vật liệu nhẹ thứ hai thế giới là aerographite tới 12%.

“Mục tiêu là loại bỏ các chất gây ô nhiễm khỏi nước một cách an toàn mà không giải phóng bất kỳ dư lượng hóa chất không xác định nào. Các aerogel mà chúng tôi đã tạo ra luôn duy trì cấu trúc của chúng khi được đưa vào hệ thống xử lý nước và chúng có thể được ứng dụng trong nhiều ứng dụng xử lý nước khác nhau”, Nirupam Aich, phó giáo sư về công nghệ môi trường, tại Trường Kỹ thuật và khoa học ứng dụng UB cho biết.

Nghiên cứu đã được công bố trong mục Emerging Investigator Series của tạp chí Environmental Science: Nano. Tác giả chính của nghiên cứu là cựu sinh viên làm việc tại phòng thí nghiệm của Aich và Chi Zhou, phó giáo sư kỹ thuật công nghiệp và hệ thống tại UB, đồng tác giả nghiên cứu.

Aerogel là một chất rắn nhẹ, có độ xốp cao, được tạo thành bằng cách thay thế chất lỏng trong gel bằng một chất khí để chất rắn tạo thành có cùng kích thước với ban đầu. Chúng có cấu trúc tương tự như Styrofoam: rất xốp và nhẹ, nhưng mạnh mẽ và đàn hồi.

Graphene là một vật liệu nano được hình thành bởi nguyên tố cacbon và gồm có một tấm phẳng nguyên tử cacbon đơn sắp xếp trong một mạng lục giác lặp đi lặp lại.

Để tạo ra tính nhất quán phù hợp của loại mực làm từ grapheme này, các nhà nghiên cứu đã hy vọng trạng thái tự nhiên của nó. Họ đã bổ sung thêm vào nó hai polyme lấy cảm hứng sinh học - polydopamine (một vật liệu tổng hợp, thường được gọi là PDA, tương như chất kết dính được tiết ra ở các loài trai), và albumin huyết thanh bò (một loại protein có nguồn gốc từ bò).

Trong các thử nghiệm, aerogel được cấu hình lại đã loại bỏ một số kim loại nặng, chẳng hạn như chì và crom, gây ảnh hưởng đến hệ thống nước uống trên toàn quốc. Nó cũng loại bỏ thuốc nhuộm hữu cơ, chẳng hạn như xanh methylen cation và xanh anion Evans, cũng như các dung môi hữu cơ như hexan, heptan và toluen.

Để chứng minh tiềm năng tái sử dụng của aerogel, các nhà nghiên cứu đã cho các dung môi hữu cơ đi qua nó 10 lần. Kết quả mỗi lần, nó loại bỏ 100% dung môi. Các nhà nghiên cứu cũng báo cáo rằng khả năng giữ lại xanh methylen của aerogel giảm 2–20% sau chu kỳ thứ ba.

Aich cho biết, cũng có thể tăng kích thước aerogel được bởi vì không giống như tấm nano, aerogel có thể được in với kích thước lớn hơn. Điều này giúp giải quyết một số vấn đề trước đây vốn có trong sản xuất quy mô lớn và giúp quy trình có thể ứng dụng trong các cơ sở lớn, chẳng hạn như trong các nhà máy xử lý nước thải

Ông cho biết thêm, aerogel có thể được dùng để lọc nước và tái sử dụng ở các vị trí khác, và chúng không để lại bất kỳ loại cặn nào trong nước.

Aich cũng lưu ý những điểm tương đồng trong nghiên cứu này với nghiên cứu aerogel 3D của ông và ông hy vọng kết quả từ hai dự án có thể được kết hợp với nhau để tạo ra các phương pháp hiệu quả hơn để loại bỏ các chất gây ô nhiễm trong nước.

“Chúng ta có thể sử dụng những aerogel này không chỉ chứa các hạt graphene mà còn cả các hạt nano kim loại có thể hoạt động như chất xúc tác. Mục tiêu trong tương lai tới là có các hạt nano được gắn trong thành và bề mặt của các aerogel này và chúng có thể làm giảm thiểu hoặc phá hủy không chỉ các chất gây ô nhiễm sinh học mà còn cả các chất ô nhiễm hóa học”, Aich nói.

Aich, Chi và Masud hiện đang chờ phê duyệt bằng sáng chế cho aerogel graphene được mô tả trong nghiên cứu này và họ cũng đang tìm kiếm các đối tác công nghiệp để thương mại hóa quy trình này.