Panie profesorze skąd pomysł na wykorzystanie grafenu do elektrodejonizacji wody?
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 tego rozwiązania. 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.
Dlaczego Pana zespół badawczy do pokrycia elektrod wykorzystał zredukowany tlenek grafenu, a nie monowarstwowy grafen wielkopowierzchniowy, którego metodę wytwarzania macie w Instytucie również opracowaną i opatentowaną?
Przede wszystkim ze względu na 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.
Na czym polega innowacyjność opracowanej przez Pana zespół technologii uzdatniania wody?
Proces elektrodejonizacji wody, bo tej metody dotyczy wynalazek, znany jest już od wielu lat. Jest to przede wszystkim metoda pozwalająca na uzyskiwanie wody ultra czystej, wykorzystywanej głównie w przemyśle elektronicznym, farmaceutycznym, energetycznym. Nasze rozwiązanie, czyli elektrody wykonane z włókien węglowych pokryte usieciowanym, zredukowanym tlenkiem grafenu, łączy w sobie zalety obu wcześniejszych rozwiązań, czyli zastosowania elektrod grafitowych lub tytanowych, a dodatkowo uzyskaliśmy ich wysoką trwałość i stosunkowo niską cenę. Dodatkowo w naszej 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.
Jakie właściwości posiadają elektrody pokryte grafenem?
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.
Wynalazek został już opatentowany?
Tak, tytuł patentu brzmi: Sposób wytwarzania elektrod kompozytowych do elektrodejonizacji wody na bazie usieciowanego tlenku grafenu. Ochronę patentową uzyskaliśmy w 2021 roku. Twórcami są pracownicy, doktoranci i studenci naszej uczelni oraz pracownicy firmy - konsorcjanta, który współpracował z nami nad opracowaniem tego rozwiązania. Są to: Konrad Dybowski, Łukasz Kaczmarek, Piotr Kula, Witold Szymański, Tomasz Warga, Grzegorz Romaniak, Bartosz Bucholc, Magdalena Makowicz, Jan Siniarski, Tomasz Kaźmierczak
Gdzie znajdzie zastosowanie nowa technologia z Politechniki Łódzkiej?
Jak wspomniałem wcześniej nowa technologia może znaleźć zastosowanie w systemach do elektrodejonizacji wody, a dokładnie ujmując, 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.
Badania były realizowane dzięki finansowemu wsparciu z funduszy europejskich. To był projekt badawczo-wdrożeniowy, kto jest partnerem z przemysłu? Jakie środki finansowe zostały przyznane na realizację badań?
Badania zostały wykonane w ramach realizacji projektu „Materiały kompozytowe na bazie grafenu przeznaczone do oczyszczania wody”. Projekt był realizowany w konsorcjum, w którym Politechnika Łódzka była liderem. Partnerem przemysłowym (konsorcjantem) była łódzka firma zajmująca się produkcją filtrów do wody firma Amii Sp. z o.o. W związku z tym mamy dwie możliwości komercjalizacji wyników badań. Jedna z nich to wdrożenie u naszego partnera przemysłowego, druga ścieżka to wdrożenie na zasadach licencji niewyłącznej lub na wyłączność w innej firmie.
Plany wdrożeniowe trochę komplikuje obecna sytuacja ekonomiczna i geopolityczna, ale liczmy na to, że uda się zakończyć to przedsięwzięcie sukcesem. W działania zaangażowane jest Centrum Innowacji i Przedsiębiorczości, Sekcja Transferu Technologii, która podjęła się wyceny patentu i poszukiwania firm. Łączna wartość zakończonego projektu wyniosła 5 928 412 zł , w tym dofinansowanie ze środków Unii Europejskiej z Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014-2020 to 5 132 774 zł.
Rozmawiała Małgorzata Trocha