Отделение воды испарителями эффективно, но требует большого количества энергии. Это важно, учитывая, что Соединенные Штаты в настоящее время являются вторым по величине производителем бумаги и картона в мире. Примерно 100 бумажных фабрик страны используют около 0.2 квадрильона (квадриллион БТЕ) энергии в год для повторного использования воды, что делает его одним из самых энергоемких химических процессов. Все промышленное потребление энергии в США в 2019 году составило 26.4 квадроцикла, по данным Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса.
Альтернативой является использование энергоэффективных фильтрующих мембран для рециркуляции сточных вод после варки целлюлозы. Но обычные полимерные мембраны – коммерчески доступные в течение последних нескольких десятилетий – не выдерживают эксплуатации в суровых условиях и высоких химических концентрациях, обнаруживаемых в сточных водах варки целлюлозы и во многих других промышленных применениях.
Исследователи Технологического института Джорджии нашли метод создания мембран из оксида графена (GO), химически стойкого материала на основе углерода, чтобы они могли эффективно работать в промышленных приложениях.
«GO обладает замечательными характеристиками, которые позволяют воде проходить через него намного быстрее, чем через обычные мембраны», – сказал Санкар Наир, профессор, научный сотрудник факультета Симмонса и доцент кафедры информационно-пропагандистской работы в Технологической школе химической и биомолекулярной инженерии Джорджии. «Но давнишний вопрос заключался в том, как заставить мембраны GO работать в реальных условиях с высокими химическими концентрациями, чтобы они могли стать промышленно значимыми."
Используя новые технологии производства, исследователи могут контролировать микроструктуру мембран GO таким образом, чтобы они могли продолжать эффективно фильтровать воду даже при более высоких концентрациях химических веществ.
Исследование, поддержанное U.S. Департамент энергетики – RAPID Institute, промышленный консорциум компаний, производящих лесные продукты, и Институт возобновляемых биопродуктов Технологического института Джорджии, недавно опубликованный в журнале Nature Sustainability. Многие отрасли промышленности, которые используют большое количество воды в своих производственных процессах, могут выиграть от использования этих мембран для нанофильтрации GO.
Наир, его коллеги Мейша Шофнер и Скотт Синкфилд и их исследовательская группа начали эту работу пять лет назад. Они знали, что мембраны GO давно признаны за их огромный потенциал в опреснении, но только в лабораторных условиях. «Никто достоверно не продемонстрировал, что эти мембраны могут работать в реальных промышленных водных потоках и рабочих условиях», – сказал Наир. «Потребовались новые типы структур GO, которые продемонстрировали бы высокие фильтрующие характеристики и механическую стабильность, сохраняя при этом отличную химическую стабильность, присущую материалам GO."
Чтобы создать такие новые структуры, команда разработала идею размещения больших молекул ароматического красителя между листами GO.
Исследователи Чжунчжэнь Ван, Чен Ма и Чуньян Сюй обнаружили, что эти молекулы прочно связываются с листами GO разными способами, включая наложение одной молекулы на другую. Результатом стало создание пространств «галереи» между листами GO с молекулами красителя, действующими как «столбы»."Молекулы воды легко фильтруются через узкие промежутки между столбами, в то время как химические вещества, присутствующие в воде, выборочно блокируются в зависимости от их размера и формы. Исследователи смогли настроить микроструктуру мембраны по вертикали и по горизонтали, что позволило им контролировать как высоту галереи, так и количество пространства между столбами.
Затем команда протестировала мембраны для нанофильтрации GO с несколькими водными потоками, содержащими растворенные химические вещества, и показала способность мембран отбрасывать химические вещества по размеру и форме даже при высоких концентрациях.
В конечном итоге они увеличили масштабы своих новых мембран GO до листов длиной до 4 футов и продемонстрировали свою работу более 750 часов в реальном потоке сырья, полученном с бумажной фабрики.
Наир выразил восхищение возможностью мембранной нанофильтрации GO снизить затраты на энергопотребление бумажной фабрики, что может повысить устойчивость отрасли. «Эти мембраны могут сэкономить бумажной промышленности более 30% затрат энергии на отделение воды», – сказал он.
Работа поддержана U.S.
Министерство энергетики (DOE) Rapid Advancement in Process Intensification Deployment (RAPID) Institute (# DE-EE007888-5-5), промышленный консорциум, включающий Georgia-Pacific, International Paper, SAPPI и WestRock, а также Технологический институт возобновляемых биопродуктов Джорджии. Любые мнения, выводы, выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат авторам и не обязательно отражают точку зрения организаций-спонсоров.