گرافن از زمان کشفش در سال ۲۰۰۴، به عنوان یک ماده شگفت انگیز شناخته شده است. این ماده یکی از آلوتروپ های کربن است که از لایه ای از اتم ها تشکیل شده است که در یک شبکه لانه زنبوری دو بعدی مرتب شده اند. از این ماده بیشتر برای تولید باتری های قابل شارژ استفاده می شود. با این حال اخیراً این ماده به صورت موفقیت آمیز برای هدفی متفاوت مورد استفاده قرار گرفته است. مهندسان دانشگاه بوفالو به تازگی مقاله ای در مورد یک فرآیند جدید برای پرینت سه بعدی آیروژل های گرافن منتشر کرده اند که می تواند برای تصفیه آب آلوده استفاده شود. نویسندگان این تحقیق، از جمله Nirupam Aich،Nano. Arvid Masud و Chi Zhou، حق ثبت اختراع آیروژل های شرح داده شده در این پژوهش را دارند و در حال حاضر به دنبال شرکای صنعتی برای تجاری سازی این فرایند هستند.

تصفیه آب آلوده با استفاده از پرینت سه بعدی سبک ترین ماده در جهان

برای درک بهتر این روش چاپ سه بعدی ایروژل گرافن، ابتدا باید با خواص گرافن و آیروژل ها آشنا شویم. گرافن، همانطور که پیش از این ذکر شد یک نانومواد است که از یک لایه مسطح منفرد از اتم های کربن تشکیل شده است. از آنجا که گرافن فقط از یک لایه تشکیل شده است، نازک ترین ماده در جهان به شمار می رود. آنچه این ماده را خاص می کند این است که گرافن با وجود نازکی و سبکی، مقاومت کششی بالایی معادل ۱۳۰GPa در مقایسه با فولاد که دارای مقاومت کششی بین ۳۱۰ تا ۶۹۰ مگاپاسکال است دارد. همچنین این ماده رسانای الکتریکی، انعطاف پذیر و تقریباً شفاف می باشد. از طرف دیگر، آیروژل ها مواد جامد بسیار سبک و متخلخلی هستند. در حقیقت، این جامدات از بیش از ۹۹ درصد هوا یا منافذ تشکیل شده اند که آنها را به سبک ترین و کم چگالی ترین مواد جامد در کل جهان تبدیل کرده است. با این حال آیروژل ها محکم و الاستیک هستند. بنابراین هنگامی که این دو ماده باورنکردنی با هم ترکیب می شوند، تعجب آور نیست که نتیجه کار زبان شما را بند می آورد. نتیجه حاصل از ترکیب این دو ماده، ماده ای ۵/۷ برابر سبک تر از هوا است و چگالی ۱۰۰۰ برابر کمتر از آب دارد که آن را به سبک ترین ماده در جهان تبدیل کرده است.

با توجه به گفته محققان این پژوهش، انتظار می رود این فرایند جدید پرینت سه بعدی آیروژل های گرافن بر دو مانع اساسی در تصفیه آب غلبه کند. این دو مانع شامل مقیاس پذیری و ایجاد یک آیروژل با پایداری کافی برای استفاده مکرر می باشد. توانایی مقیاس کردن اندازه آیروژل ها، برخلاف ورق های نانو، مشکل قبلی تولید آنها در مقیاس بزرگ را برطرف می کند. این موضوع به نوبه خود باعث می شود که این فرآیند برای استفاده در تأسیسات در مقیاس بزرگ، مانند تصفیه خانه های فاضلاب مناسب باشد. علاوه بر این، آیروژل ها هنگام فیلتر شدن هیچ پسماندی در آب باقی نمی گذارند. یکی از نویسندگان این پژوهش به نام Nirupam Aich، گفت: “ما می توانیم از این آیروژل ها نه تنها برای گنجاندن ذرات گرافن، بلکه برای گنجاندن ذرات فلزات نانو نیز استفاده کنیم که می توانند به عنوان کاتالیزور عمل کنند. هدف ما برای آینده این است که ذرات فلزات نانو را در دیواره ها و سطح این آیروژل ها تعبیه کنیم که می توانند نه تنها آلاینده های بیولوژیکی، بلکه همچنین آلاینده های شیمیایی را حذف یا از بین ببرند. “

در آزمایشاتی که انجام شده است، آیروژل پیکربندی شده نتایج موفقیت آمیزی نشان داده است. فلزات سنگین مانند سرب و کروم که اغلب ﻣﻀﺮﺗﺮﻳﻦ آﻻﻳﻨﺪه ﻫﺎی ﻣﻮﺟﻮد در ﻣﻨﺎﺑﻊ آب آﺷﺎﻣﻴﺪﻧﻲ به شمار می روند و همچنین رنگ های آلی و حلال ها مانند هگزان، هپتان و تولوئن با موفقیت فیلتر شدند. برای نشان دادن پتانسیل استفاده مجدد از این آیروژل ها، محققان ۱۰ بار حلال های آلی را از این آیروژل عبور دادند. با هر بار آزمایش، آیروژل مجدداً توانست ۱۰۰ درصد حلال ها را حذف کند. نتیجه نهایی نشان داد که آیروژل به عنوان یک غربال عمل می کند که مواد آلاینده را فیلتر می کند و فقط به آب خالص اجازه عبور می دهد.

منبع: https://www.3dnatives.com
در صورت تمایل میتوانید فایل PDF این مقاله را در قسمت زیر دانلود و با ذکر منبع مورد استفاده قرار دهید.