Met de toenemende droogte in Californië, de staat heeft de bouw van ontziltingsinstallaties versneld. Maar vanwege de hoge bouw- en bedrijfskosten, evenals milieuoverwegingen, het is niet waarschijnlijk dat teruggewonnen zeewater de komende tijd meer dan een klein deel van Amerika's schone waterreserves zal vertegenwoordigen. Afgezien van andere kosten, de enorme hoeveelheden energie die nodig zijn om uit zeewater schoon water te maken, maken ontzilting in de meeste delen van de wereld tot een niche-oplossing.

Toen Jeffrey Grossman, een professor aan het MIT's Department of Materials Science and Engineering (DMSE), begon te onderzoeken of nieuwe materialen de kosten van ontzilting zouden kunnen verlagen, hij was verrast toen hij ontdekte hoe weinig geld voor onderzoek en ontwikkeling voor het probleem werd gebruikt.

"Een miljard mensen over de hele wereld hebben geen regelmatige toegang tot schoon water, en dat zal naar verwachting meer dan verdubbelen in de komende 25 jaar, Grossman zegt. "Ontzout water kost vijf tot tien keer meer dan gewoon gemeentelijk water, toch investeren we niet genoeg geld in onderzoek. Als we geen schone energie hebben, zitten we in ernstige problemen, maar als we geen water hebben, gaan we dood."

Bij de Grossman Groep, waarin de ontwikkeling van nieuwe materialen wordt onderzocht om problemen op het gebied van schone energie en water aan te pakken, een mogelijke oplossing is mogelijk nabij. Het laboratorium van Grossman heeft sterke resultaten aangetoond die aantonen dat nieuwe filters gemaakt van grafeen de energie-efficiëntie van ontziltingsinstallaties aanzienlijk kunnen verbeteren en mogelijk ook andere kosten kunnen verlagen.

grafeen, die het resultaat is van het afsnijden van een atoomdikke laag grafiet, komt steeds meer naar voren als iets van een wondermateriaal. de Grossman-groep, bijvoorbeeld, onderzoekt het ook als goedkoper alternatief voor silicium voor het maken van zonnecellen.

"Het is nog nooit zo spannend geweest om materiaalwetenschapper te zijn, ", zegt Grossman. "Als je kijkt naar schone technologie of waterfiltratie, je vindt dat het knelpunt in de energieomzetting voortkomt uit het materiaal. We kunnen nu materialen ontwerpen tot op de schaal van het atoom op bijna elke manier die we willen, materialen aanpassen op manieren die voorheen onmogelijk waren. Er ontstaat een convergentie waarin we worden geconfronteerd met enorm urgente problemen die alleen kunnen worden opgelost door nieuwe materialen te ontwikkelen."

Grafeenfilters:tot 50 procent minder energie

Voor het eerst geïsoleerd in 2003, grafeen heeft verschillende elektrische, optisch, en mechanische eigenschappen dan grafiet. "Het is sterker dan staal, en het heeft unieke zeefeigenschappen, " zegt Grossman. Met een dikte van slechts een atoom, er is veel minder wrijvingsverlies wanneer je zeewater door een geperforeerd grafeenfilter duwt in vergelijking met de polyamide plastic filters die de afgelopen 50 jaar zijn gebruikt, hij zegt.

"We hebben aangetoond dat geperforeerde grafeenfilters de waterdruk van ontziltingsinstallaties aankunnen en honderden keren betere doorlaatbaarheid bieden, Grossman legt uit. "Het proces om zeewater door filters te pompen vertegenwoordigt ongeveer de helft van de bedrijfskosten van een ontziltingsinstallatie. Met grafeen, we zouden tot 50 procent minder energie kunnen gebruiken."

Een ander voordeel is dat grafeenfilters niet zo snel vervuild raken door biogroei als bij polyamidefilters. Ontziltingsinstallaties werken vaak met verminderde efficiëntie vanwege de noodzaak om de filters regelmatig te reinigen. In aanvulling, het chloor dat wordt gebruikt om de filters te reinigen, vermindert de structurele integriteit van het polyamide, frequente vervanging vereisen. Ter vergelijking, grafeen is bestand tegen de schadelijke effecten van chloor.

Volgens Grossman in bestaande fabrieken zou je gemakkelijk polyamidefilters kunnen vervangen door grafeenfilters. Zoals polyamidefilters, grafeenfilters kunnen op robuuste polysulfonsteunen worden gemonteerd, die grotere gaten hebben die deeltjes uitzeven.

Nog, aanzienlijke uitdagingen blijven bestaan ​​bij het terugdringen van de kosten. De Grossman Group heeft goede vooruitgang geboekt bij het creëren van hoge volumes grafeen tegen redelijk lage kosten. Een serieuzere uitdaging, echter, is op een kosteneffectieve manier uniforme gaten in het grafeen porren op een zeer schaalbare manier.

"Een typische plant heeft tienduizenden membranen, geconfigureerd in buizen van twee meter lang, elk met 40 vierkante meter opgerold actief membraan, Grossman zegt. "We moeten dat volume evenaren tegen dezelfde kosten, of het is een niet-starter."

Goedkoop grafeen maken

De traditionele manier om grafeen te maken – sinds de eerste isolatie in 2003, let wel - is om het af te pellen met lijm. "Je neemt letterlijk een stuk plakband om te grafiet en je pelt, Grossman legt uit. "Als je dit blijft doen, je eindigt uiteindelijk met een enkele laag. Het probleem is dat het een eeuwigheid zou duren om genoeg grafeen af ​​te pellen voor een ontziltingsinstallatie."

Een andere benadering is om grafeen te "kweken" door superhete gassen op koperfolie aan te brengen. "Het kweken van grafeen levert de beste kwaliteit, daarom is de halfgeleiderindustrie erin geïnteresseerd, " zegt Grossman. Het proces, echter, is erg duur en energie-intensief.

In plaats daarvan, de Grossman Group een veel goedkopere chemische benadering gebruikt, die voldoende kwaliteit levert voor het maken van ontziltingsmembranen. "Gelukkig, onze applicatie vereist niet de beste kwaliteit, ", zegt Grossman. "Met de chemische techniek, we stoppen grafiet in een oplossing, en pas chemie bij lage temperatuur toe om het hele stuk grafiet in vellen uit elkaar te halen. We kunnen heel goedkoop en snel veel grafeen krijgen."

Het creëren van poriën die zout blokkeren maar watermoleculen doorlaten, is een grotere uitdaging. De reden dat ontzilting in de eerste plaats mogelijk is, is dat wanneer het in water wordt gediffundeerd, zoutionen binden met watermoleculen, waardoor een groter geheel ontstaat. Maar het verschil in grootte met een vrij watermolecuul is nog steeds frustrerend klein.

"De uitdaging is om de sweet spot van ongeveer 0,8 nanometer te vinden, " zegt Grossman. "Als je poriën 1,5 nm zijn, dan zullen zowel het water als het zout er doorheen gaan. Als ze een halve nanometer zijn, dan komt er niets door."

Een gat van 0,8 nm is "kleiner dan we ooit op een controleerbare manier hebben kunnen maken met enig ander materiaal, ", zegt Grossman. "En we moeten dit over een heel groot gebied heel consequent en goedkoop doen."

De Grossman Group streeft naar drie technieken om nanoporeuze grafeenmembranen te maken, die allemaal chemische en thermische energie gebruiken in plaats van mechanische processen. "Als je lithografie probeerde te gebruiken, het zou jaren duren, " zegt Grossman. "Onze eerste aanpak is om de gaten te groot te maken, en dan voorzichtig invullen. Een ander probeert ze precies op maat te maken, en de derde houdt in dat je begint met een materiaal zonder gaten en het dan voorzichtig uit elkaar scheurt."

De chemische techniek om grafeen te maken produceert eigenlijk grafeenoxide, wat ongewenst wordt geacht voor halfgeleiders, maar is prima voor filters. Als resultaat, de onderzoekers konden de moeilijke stap om de zuurstof uit het grafeenoxide te verwijderen, vermijden. In feite, ze vonden een manier om de zuurstof in hun voordeel te gebruiken.

"Door de manier te regelen waarop de zuurstof aan de grafeenplaat wordt gebonden, we kunnen chemische en thermische energie gebruiken om de gaten te boren met behulp van de zuurstof, ’ zegt Grosman.

Eerste doel:Brak water

Terwijl de Grossman Group blijft werken aan de uitdaging van het vervaardigen en perforeren van grafeenplaten, Grossman wil andere voordelen van grafeenfilters benutten om de technologie op de markt te brengen.

Hoewel grafeen de efficiëntie zou moeten verbeteren met zeewater en zelfs zouter, vuiler water dat wordt gebruikt bij hydraulisch breken, het zal waarschijnlijk debuteren in planten die brak water zuiveren, zoals gevonden in estuaria. "Het blijkt dat een hogere doorlaatbaarheid zelfs met een factor twee of drie een groter verschil zou maken met brak water dan met zeewater, zegt Grossman. "In beide gevallen verlaag je het energieverbruik, maar meer voor brak water."

Grafeenfilters zouden ook de constructie van kleinere, goedkopere planten. "Met grafeen heb je meer keuze in hoe je de plant bedient, "zegt Grossman. "Je zou dezelfde druk kunnen uitoefenen, maar er meer water uit krijgen, of u kunt het met een lagere druk laten werken en dezelfde hoeveelheid water krijgen, maar tegen lagere energiekosten."

Grossman merkt op dat het jaren of zelfs decennia kan duren om een ​​fabriek in dichtbevolkte kustgebieden te plaatsen en toe te staan. "Er wordt veel aandacht besteed aan hoe je de fabriek gaat bouwen en waar je genoeg land gaat vinden, Grossman zegt. "De mogelijkheid hebben om een ​​kleinere fabriek te bouwen zou een groot voordeel zijn."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.