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3D-gedrucktes Aerographen soll künftig zur Wasserfilterung eingesetzt werden

Auf 20. April 2021 von Isabell I. veröffentlicht

Graphen gilt seit seiner Entdeckung im Jahre 2004 als Wundermaterial. Mittlerweile wird diese Schicht von Kohlenstoffatomen immer öfters zur Produktion von Akkus und Batterien verwendet. Diese Woche konnte jedoch ein anderer Erfolg mit dem revolutionierenden Material verzeichnet werden: Ingenieure der University at Buffalo berichten in einer aktuellen Studie über ein neues Verfahren zum 3D-Drucken von Graphen-Aerogelen (Aerographen), die zum Filtern von Wasser eingesetzt werden sollen. Bisher ist ein derartiges Produkt noch nicht auf dem Markt zu finden. Das soll sich jetzt ändern: Die Studienbeteiligten, darunter Nirupam Aich, Nano. Arvid Masud und Chi Zhou, halten ein Patent für das in der Studie „3D printed graphene-biopolymer aerogels for water contaminant removal: a proof of concep“ beschriebene Aerographen und suchen nun nach industriellen Partnern, um das Verfahren zu kommerzialisieren.

Was macht Aerographen so besonders?

Um das Prinzip dieser Studie richtig verstehen zu können, muss man sich zuerst über die Eigenschaften von Graphen und Aerogelen im Klaren sein. Bei Graphen handelt es sich, wie bereits erwähnt, um ein Nanomaterial, das aus elementarem Kohlenstoff gebildet wird und aus einer einzelnen flachen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Dadurch, dass es nur eine einzige Schicht ist, gilt Graphen als dünnstes Material der Welt. Das Besondere ist: Trotz der Dünne und Leichtigkeit besitz das Material eine enorme Zugfestigkeit von 130 GPa – im Vergleich zu Stahl, das eine Zugfestigkeit von 310 bis 690 MPa besitzt. Außerdem ist es elektrisch leitfähig, biegsam und fast durchsichtig. Aerogele hingegen sind leichte, hochporöse Feststoffe. Tatsächlich besteht dieser Feststoff aus über 99 Prozent Luft bzw. Poren, was ihn zum leichtesten Feststoff mit geringster Dichte auf der ganzen Welt macht. Dennoch ist er stark und elastisch. Wenn man also diese zwei unglaublichen Entdeckungen kombiniert, ist es kaum überraschend, dass das Ergebnis sprachlos macht: Aerographen ist 7,5-mal leichter als Luft und besitzt eine 1000 Mal kleinere Dichte als Wasser, wodurch es das leichteste Material der Welt darstellt. 

Aerographen

Hier sehen Sie links einen 3D-Drucker, der die Aerographen-Platte druckt. Auf der rechten Seite befindet sich das Aerogel, das verschmutztes Wasser filtert. (Bildnachweis: Environmental Science: Nano)

Das neue Verfahren zum 3D-Drucken von Graphen-Aerogelen soll laut den Studienbeteiligten zwei entscheidende Hürden für die Wasseraufbereitung überwinden: die Skalierbarkeit und die Schaffung eines Aerographens, das stabil genug für den wiederholten Einsatz ist. Die Fähigkeit, Aerogele in der Größe skalieren zu können – im Gegensatz zu Nanoblättern – beseitigt das bisherige Problem, in großem Maßstab zu produzieren. Dies wiederum macht das Verfahren für den Einsatz in großen Anlagen, wie z. B. in Kläranlagen, geeignet. Zudem lassen die Aerogele bei der Wasserfilterung keinerlei Rückstände im Wasser. Der Studien-Co-Autor Nirupam Aich berichtet: „Das Ziel ist es, Verunreinigungen sicher aus dem Wasser zu entfernen, ohne problematische chemische Rückstände freizusetzen. Die Aerogele, die wir geschaffen haben, behalten ihre Struktur, wenn sie in Wasseraufbereitungssystemen eingesetzt werden, und sie können in verschiedenen Wasseraufbereitungsanwendungen eingesetzt werden.

In bereits durchgeführten Tests erwies sich das rekonfigurierte Aerogel als erfolgreich: Schwermetalle, wie Blei und Chrom, die oft Trinkwassersysteme plagen, sowie organische Farbstoffe und Lösungsmittel, wie Hexan, Heptan und Toluol, konnten gefiltert werden. Um das Wiederverwendungspotenzial des Aerogels zu demonstrieren, ließen die Forscher organische Lösungsmittel 10 Mal durch das Aerogel laufen. Bei jedem Durchlauf konnte das Aerogel erneut 100 Prozent der Lösungsmittel entfernen. Im Endeffekt nimmt das Aerogel die Funktion eines Siebes an, indem es die „schlechten“ Stoffe filtern und nur das reine Wasser durchlässt. Die komplette Studie können Sie hier einsehen. 

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