Grafen z PŁ w technologii uzdatniania wody
Politechnika ŁódzkaNaukowcy z Instytutu Inżynierii Materiałowej Politechniki Łódzkiej opracowali innowacyjną technologię otrzymywania elektrod grafenowych do uzdatniania wody. Dzięki zastosowaniu nowej powłoki uzyskali elektrody znacznie trwalsze w użytkowaniu i co najważniejsze – dużo tańsze.
O wynalazku opowiada kierownik projektu dr hab. inż. Konrad Dybowski, profesor na Wydziale Mechanicznym Politechniki Łódzkiej.
Grafen ze względu na swe unikatowe właściwości, w tym bardzo dobrą przewodność elektryczną, wysokie właściwości mechaniczne, odporność chemiczną, i jak się okazało, również elektrochemiczną, świetnie nadaje się do elektrodejonizacji wody. Kluczową kwestią było zapewnić mu odpowiednie podłoże nośne. Zdecydowaliśmy się na włókna węglowe, które spajane są żywicą epoksydową, co dało nam możliwość uzyskania dobrej przyczepności wytworzonej powłoki grafenowej do takiego podłoża.
Do pokrycia elektrod wykorzystany został zredukowany tlenek grafenu, a nie monowarstwowy grafen wielkopowierzchniowy. Wynikało to przede wszystkim z trudności w przeniesieniu tak dużych płatów grafenu na powierzchnię elektrody bez ich zdefektowania. Ponadto elektrody pokrywane monowarstwą grafenu byłyby porównywalne cenowo do elektrod tytanowych pokrywanych tlenkami lub platyną. Pokrycie powierzchni elektrody zredukowanym tlenkiem grafenu, który uzyskuje się z tlenku grafenu, a ten z kolei z grafitu, daje finalnie: po pierwsze możliwość łatwego uzyskania takiej powłoki na elektrodzie, po drugie niski koszt jej wykonania. W odniesieniu do obecnie stosowanych elektrod tytanowych pokrywanych tlenkami ziem rzadkich lub platyną są to kilkukrotnie niższe koszty.
Proces elektrodejonizacji wody, bo tej metody dotyczy wynalazek, znany jest już od wielu lat. Jest to przede wszystkim metoda pozwalająca na uzyskiwanie wody ultraczystej, wykorzystywanej głównie w przemyśle elektronicznym, farmaceutycznym, energetycznym. Elektrody wykonane z włókien węglowych pokryte usieciowanym, zredukowanym tlenkiem grafenu, łączą w sobie zalety obu wcześniejszych rozwiązań, czyli zastosowania elektrod grafitowych lub tytanowych. Dodatkowo uzyskano wysoką trwałość i stosunkowo niską cenę. W nowej technologii obie elektrody mogą być wykonane z tego samego materiału, co daje możliwość pracy w cyklach, z okresowo zmienianą polaryzacją, a to pozwala oczyszczać urządzenie do elektrodejonizacji wody z nagromadzonych jonów.
Zaletą tego kompozytowego materiału węglowego jest również możliwość wykonania elektrody o niewielkiej grubości (dziesiąte części mm), przy zachowaniu wysokiej wytrzymałości mechanicznej. To z kolei pozwala na umieszczenie wielu par elektrod w jednym urządzeniu do elektrodejonizacji wody, zamiast tylko dwóch skrajnych, jak ma to miejsce obecnie w przypadku elektrod metalowych, co może wpłynąć na poprawę sprawności tych urządzeń.
Elektrody kompozytowe wykonane z włókien węglowych pokrytych usieciowanym, zredukowanym tlenkiem grafenu wykazują dużą odporność na degradację związaną z wydzielaniem się gazów na katodzie i anodzie, a także dużą stabilność chemiczną i elektrochemiczną w szerokim zakresie pH oraz odporność na utlenianie. Cechują się niską rezystancją, charakteryzują się szybką sorpcją oraz desorpcją jonów, jak również niską podatnością na zanieczyszczenia organiczne. Co więcej, wykorzystanie preimpregnatów z włókna węglowego jako podłoża nośnego zapewnia większą trwałość oraz daje możliwość formowania i zachowania uformowanych kształtów elektrod przez polimeryzację żywicy epoksydowej bez konieczności stosowania dodatkowych form.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Wynalazek został już opatentowany w 2021 r. (patent: Sposób wytwarzania elektrod kompozytowych do elektrodejonizacji wody na bazie usieciowanego tlenku grafenu).
Nowa technologia może znaleźć zastosowanie w systemach do elektrodejonizacji wody, a dokładnie do produkcji elektrod do systemów uzdatniania wody, głównie na potrzeby przemysłu, tam gdzie niezbędna jest woda o bardzo niskiej przewodności. Może być również stosowana w systemach otrzymywania wody o założonym składzie, gdzie odpowiednia zawartość minerałów decyduje na przykład o walorach smakowych. Taka woda mogłaby być używana do parzenia kawy lub herbaty dla wydobycia jak najlepszego aromatu. Sądzę również, że elektrody te mogłyby znaleźć zastosowanie w innych procesach elektrochemicznych stosowanych w przemyśle.
Źródło: Politechnika Łódzka
