Minder dan 1 procent van het water op aarde is drinkbaar. Het verwijderen van zout en andere mineralen uit onze grootste beschikbare waterbron - zeewater - kan helpen een groeiende wereldbevolking te bevredigen die dorst heeft naar zoet drinkwater, landbouw, vervoer, verwarming, koeling en industrie. Maar ontzilting is een energie-intensief proces, die betrekking heeft op degenen die de toepassing ervan willen uitbreiden.

Nutsvoorzieningen, een team van experimentatoren onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy heeft een energie-efficiënte ontziltingstechnologie gedemonstreerd die gebruik maakt van een poreus membraan gemaakt van sterk, dun grafeen - een koolstofhoningraat van één atoom dik. De resultaten zijn gepubliceerd in het online nummer van 23 maart van: Natuur Nanotechnologie .

"Ons werk is een proof of principle dat laat zien hoe je zout water kunt ontzilten met vrijstaande, poreus grafeen, " zei Shannon Mark Mahurin van ORNL's Chemical Sciences Division, die samen met Ivan Vlassiouk de studie leidde in de afdeling Energie- en Transportwetenschap van ORNL.

"Het is een enorme vooruitgang, zei Vlassiouk, wijst erop dat een rijkdom aan water door het poreuze grafeenmembraan reist. "De flux door de huidige grafeenmembranen was minstens een orde van grootte hoger dan [die door] state-of-the-art omgekeerde osmose polymere membranen."

Huidige methoden voor het zuiveren van water zijn onder meer destillatie en omgekeerde osmose. Distillatie, of het verwarmen van een mengsel om vluchtige componenten te extraheren die condenseren, vereist een aanzienlijke hoeveelheid energie. Omgekeerde osmose, een energiezuiniger proces dat toch een behoorlijke hoeveelheid energie vereist, vormt de basis voor de ORNL-technologie.

Het maken van poriën in het grafeen is de sleutel. Zonder deze gaten, water kan niet van de ene kant van het membraan naar de andere gaan. De watermoleculen zijn gewoon te groot om door het fijne gaas van grafeen te passen. Maar prik gaten in het gaas die precies de juiste maat hebben, en watermoleculen kunnen doordringen. Zout ionen, in tegenstelling tot, zijn groter dan watermoleculen en kunnen het membraan niet passeren. Het poreuze membraan maakt osmose mogelijk, of passage van een vloeistof door een semipermeabel membraan in een oplossing waarin het oplosmiddel meer geconcentreerd is. "Als je aan de ene kant van een poreus membraan zout water hebt en aan de andere kant zoet water, een osmotische druk heeft de neiging om het water terug naar de zoutwaterzijde te brengen. Maar als je dat overwint, en dat draai je om, en je duwt het water van de zoutwaterkant naar de zoetwaterkant - dat is het omgekeerde osmoseproces, ' legde Mahurin uit.

Tegenwoordig zijn omgekeerde-osmosefilters typisch polymeren. Een filter is dun en staat op een steun. Er is aanzienlijke druk nodig om water van de zoutwaterkant naar de zoetwaterkant te duwen. "Als je het membraan poreuzer en dunner kunt maken, u kunt de flux door het membraan verhogen en de drukvereisten verminderen, binnen de perken, "Zei Mahurin. "Dat alles dient om de hoeveelheid energie te verminderen die nodig is om het proces aan te drijven."

Grafeen te hulp Grafeen is slechts één atoom dik, maar toch flexibel en sterk. Zijn mechanische en chemische stabiliteit maken het veelbelovend in membranen voor scheidingen. Een poreus grafeenmembraan kan meer doorlaatbaar zijn dan een polymeermembraan, dus gescheiden water zou onder dezelfde omstandigheden sneller door het membraan drijven, redeneerden de wetenschappers. "Als we deze enkele laag grafeen kunnen gebruiken, we kunnen dan de flux verhogen en het membraanoppervlak verkleinen om datzelfde zuiveringsproces te bereiken, ' zei Mahurin.

Om grafeen voor het membraan te maken, de onderzoekers stroomden methaan door een buisoven op 1, 000 graden C boven een koperfolie die de ontbinding in koolstof en waterstof katalyseerde. De chemische damp zette koolstofatomen af ​​die zichzelf samenvoegden tot aangrenzende zeshoeken om een ​​vel van één atoom dik te vormen.

De onderzoekers brachten het grafeenmembraan over op een siliciumnitride-drager met een gaatje ter grootte van een micrometer. Vervolgens stelde het team het grafeen bloot aan een zuurstofplasma dat koolstofatomen uit het kippengaasrooster op nanoschaal van grafeen sloeg om poriën te creëren. Hoe langer het grafeenmembraan werd blootgesteld aan het plasma, hoe groter de gevormde poriën, en hoe meer gemaakt.

Het voorbereide membraan scheidde twee wateroplossingen - zout water aan één kant, vers anderzijds. De siliciumnitride-chip hield het grafeenmembraan op zijn plaats terwijl er water doorheen stroomde van de ene kamer naar de andere. Het membraan maakte een snel transport van water door het membraan mogelijk en stootte bijna 100 procent van de zoutionen af. bijv. positief geladen natriumatomen en negatief geladen chlorideatomen.

Om de beste poriegrootte voor ontzilting te bepalen, de onderzoekers vertrouwden op het Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), een DOE Office of Science User Facility bij ORNL. Daar, aberratie-gecorrigeerde scanning transmissie-elektronenmicroscopie (STEM) beeldvorming, onder leiding van Raymond Unocic, toegestaan ​​voor beeldvorming met atoomresolutie van grafeen, die de wetenschappers gebruikten om de porositeit van het grafeenmembraan te correleren met transporteigenschappen. Ze bepaalden dat de optimale poriegrootte voor effectieve ontzilting 0,5 tot 1 nanometer was, zei Mahurin.

Ze ontdekten ook dat de optimale dichtheid van poriën voor ontzilting één porie per 100 vierkante nanometer was. "Hoe meer poriën je krijgt, des te beter, tot een punt totdat je enige mechanische stabiliteit begint te verminderen, ' zei Mahurin.

Vlassiouk zei dat het maken van de poreuze grafeenmembranen die in het experiment worden gebruikt, haalbaar is op industriële schaal, en andere methoden voor de productie van de poriën kunnen worden onderzocht. "Er zijn verschillende benaderingen geprobeerd, inclusief bestraling met elektronen en ionen, maar geen van hen werkte. Tot dusver, de zuurstofplasma-benadering werkte het beste, " voegde hij eraan toe. Hij maakt zich meer zorgen over gremlins die de huidige membranen voor omgekeerde osmose teisteren - gezwellen op membraanoppervlakken die ze verstoppen ("biofouling" genoemd) en zorgen voor de mechanische stabiliteit van een membraan onder druk.