Die phantastischen Eigenschaften von Graphen als Filtermaterial zur Spurenstoffentfernung aus Wasser sind schon seit längerem bekannt, aber bisher fehlt es noch an geeigneten kommerziellen Lösungen. Graphen ist eine besondere Modifikation des Kohlenstoffs, in der die einzelnen Atome so angeordnet sind, dass sie eine wabenförmige, ebene Struktur bilden — ein perfektes Sieb, das ausschließlich Wassermoleküle passieren lässt und alle Inhaltsstoffe einschließlich Salze zurückhält. Seit der Entdeckung des Materials werden Methoden erforscht, daraus stabile marktfähige Produkte, unter anderem auch Membranen, herzustellen, die in der Wasseraufbereitung eingesetzt werden können. Wissenschaftler:innen der Universtät in Buffalo, USA, gelang nun die Herstellung von ultraleichten, porösen Aerogelen im 3D-Drucker.

“ Unser Ziel war es, Schadstoffe aus Wasser sicher zu entfernen ohne einen chemischen Rückstand zu erzeugen, der selber zum Problem werden könnte“, sagte der Coautor der Studie, Nirupam Aich, PhD, Assistant Professor für Umwelttechnik. Ein Aerogel ist ein leichter, hochporöser Feststoff, der durch Verdrängen der ursprünglich in einem Gel enthaltenen Flüssigkeit durch ein Gas entsteht, so dass der verbleibende Feststoff dieselbe Größe hat wie das Original. Aerogele gleichen in ihrer Struktur dem Styropor: sehr porös und leicht, aber fest und widerstandsfähig.

Ausgangsmaterial: graphenhaltige Tinte

Um die die richtige Zusammensetzung der Druckertinte zu erhalten, schauten die Forscher:innen in die Natur. Sie verwendeten zwei bio-inspirierte Polymee: Polydopamin (PDA, ein synthetisches Material, dass dem von Muscheln ausgeschiedenen Klebstoff ähnelt) und das Protein Rinderalbumin. In Versuchen zur Wasseraufbereitung gelang es, mit den erzeugten Aerogelen Schwermetalle wie Blei und Chrom, aber auch organische Farbstoffe wie Methylenblau und anionisches Evans-Blau zurückzuhalten. Ebenso wurden organische Lösungsmittel wie Hexan, Heptan oder Toluol entfernt. Um das Potenzial des Materials zum wiederholten Einsatz zu demonstrieren, wurden organische Lösungsmittel 10 Mal hintereinander mit dem Material in Kontakt gebracht und jedes Mal zu 100% zurückgehalten. Nach dem dritten Zyklus nahm das Rückhaltevermögen für Methylenblau um 2 — 20 % ab.

Die Ergebnisse wurden veröffentlicht von Arvid Masud, Chi Zhou und Niropam Aich in der Sonderreihe Emerging Investigators der Zeitschrift Environmental Science:Nano. Die Autoren geben an, dass die Aerogele in größeren Strukturen gedruckt werden können. Damit wird eine Wasseraufbereitung im größeren Maßstab wie beispielsweise in Kläranlagen denkbar. Die Aerogele selber hinterlassen keinerlei Rückstände im Wasser. Um zusätzliche Funktionalitäten zu erreichen, sollen zukünftig auch Nanopartikeln in die Strukturen eingebettet werden. Die Autoren der Studie halten ein Patent auf das von ihnen entwickelte Graphen-Aerogel und sind auf der Suche nach Industriepartnern für eine Kommerzialisierung des Prozesses.©