Een dunne coating van het 2-D nanomateriaal hexagonale boornitride is het belangrijkste ingrediënt in een kosteneffectieve technologie ontwikkeld door Rice University-ingenieurs voor het ontzilten van pekel met industriële sterkte.

Meer dan 1,8 miljard mensen leven in landen waar zoet water schaars is. In veel droge gebieden, zeewater of zout grondwater is overvloedig maar kostbaar om te ontzilten. In aanvulling, veel industrieën betalen hoge verwijderingskosten voor afvalwater met hoge zoutconcentraties dat niet kan worden behandeld met conventionele technologieën. Omgekeerde osmose, de meest voorkomende ontziltingstechnologie, vereist steeds grotere druk naarmate het zoutgehalte van water toeneemt en kan niet worden gebruikt voor de behandeling van extreem zout water, of hyperzout.

hyperzout water, die 10 keer meer zout kan bevatten dan zeewater, is een steeds belangrijkere uitdaging voor veel industrieën. Sommige olie- en gasbronnen produceren het in grote hoeveelheden, bijvoorbeeld, en het is een bijproduct van veel ontziltingstechnologieën die zowel zoet water als geconcentreerde pekel produceren. Het vergroten van het waterbewustzijn in alle industrieën is ook een drijfveer, zei Rice's Qilin Li, co-corresponderende auteur van een studie over de ontziltingstechnologie van Rice gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie .

"Het is niet alleen de olie-industrie, " zei Li, co-directeur van het Rice-based Nanotechnology Enabled Water Treatment Center (NEWT). "Industriële processen, in het algemeen, zout afvalwater produceren omdat de trend is om water te hergebruiken. Veel industrieën proberen watersystemen met een 'gesloten kringloop' te hebben. Elke keer dat u zoet water terugwint, het zout erin wordt meer geconcentreerd. Uiteindelijk wordt het afvalwater hyperzout en moet je het ofwel ontzilten of betalen om het af te voeren."

Conventionele technologie om hyperzout water te ontzilten heeft hoge kapitaalkosten en vereist een uitgebreide infrastructuur. NIEUWT, een National Science Foundation (NSF) Engineering Research Center (ERC) met hoofdkantoor aan Rice's Brown School of Engineering, gebruikt de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van nanotechnologie en materiaalwetenschap om gedecentraliseerde, geschikte technologieën om drinkwater en industrieel afvalwater efficiënter te behandelen.

Een van de technologieën van NEWT is een off-grid ontziltingssysteem dat gebruik maakt van zonne-energie en een proces dat membraandestillatie wordt genoemd. Wanneer de pekel over één kant van een poreus membraan stroomt, het wordt aan het membraanoppervlak verwarmd door een fotothermische coating die zonlicht absorbeert en warmte genereert. Wanneer koud zoet water over de andere kant van het membraan stroomt, het temperatuurverschil creëert een drukgradiënt die waterdamp door het membraan drijft van de warme naar de koude kant, zouten en andere niet-vluchtige verontreinigingen achterlatend.

Een groot temperatuurverschil aan elke kant van het membraan is de sleutel tot de efficiëntie van de membraanontzilting. In NEWT's op zonne-energie werkende versie van de technologie, door licht geactiveerde nanodeeltjes die aan het membraan zijn bevestigd, vangen alle benodigde energie van de zon op, resulterend in een hoge energie-efficiëntie. Li werkt samen met een industriële partner van NEWT om een ​​versie van de technologie te ontwikkelen die kan worden ingezet voor humanitaire doeleinden. Maar niet-geconcentreerde zonne-energie alleen is niet voldoende voor snelle ontzilting van hypersaline pekel. ze zei.

"De energie-intensiteit is beperkt met omringende zonne-energie, " zei Li, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek. "De energie-input is slechts één kilowatt per vierkante meter, en de productiesnelheid van water is traag voor grootschalige systemen."

Het toevoegen van warmte aan het membraanoppervlak kan exponentiële verbeteringen opleveren in het volume zoet water dat elke vierkante voet membraan elke minuut kan produceren, een maat die bekend staat als flux. Maar zout water is zeer corrosief, en bij verhitting wordt het bijtender. Traditionele metalen verwarmingselementen worden snel vernietigd, en veel niet-metalen alternatieven doen het iets beter of hebben onvoldoende geleidbaarheid.

"We waren echt op zoek naar een materiaal dat zeer elektrisch geleidend zou zijn en ook een grote stroomdichtheid zou ondersteunen zonder te corroderen in dit zeer zoute water, ' zei Li.

De oplossing kwam van studieco-auteurs Jun Lou en Pulickel Ajayan van Rice's Department of Materials Science and NanoEngineering (MSNE). Lou, Ajayan en NEWT postdoctoraal onderzoekers en studie co-lead auteurs Kuichang Zuo en Weipeng Wang, en studie co-auteur en afgestudeerde student Shuai Jia ontwikkelde een proces voor het coaten van een fijn roestvrijstalen gaas met een dunne film van hexagonaal boornitride (hBN).

De combinatie van chemische weerstand en thermische geleidbaarheid van boornitride heeft ervoor gezorgd dat de keramische vorm een ​​gewaardeerde aanwinst is in apparatuur voor hoge temperaturen, maar hBN, de atoomdikke 2-D vorm van het materiaal, wordt meestal gekweekt op vlakke oppervlakken.

"Dit is de eerste keer dat deze prachtige hBN-coating op een onregelmatige, poreus oppervlak, " zei Li. "Het is een uitdaging, want overal heb je een defect in de hBN coating, je zult corrosie krijgen."

Jia en Wang gebruikten een techniek van gemodificeerde chemische dampafzetting (CVD) om tientallen lagen hBN te laten groeien op een onbehandeld, in de handel verkrijgbaar roestvrijstalen gaas. De techniek breidde eerder Rice-onderzoek uit naar de groei van 2D-materialen op gebogen oppervlakken, die werd ondersteund door het Centrum voor Atomisch Dunne Multifunctionele Coatings, of ATOMISCH. Het ATOMIC Center wordt ook gehost door Rice en ondersteund door het NSF's Industry/University Cooperative Research Program.

De onderzoekers toonden aan dat de gaascoating, die slechts ongeveer een 10 miljoenste van een meter dik was, was voldoende om de verweven draden te omhullen en ze te beschermen tegen de corrosieve krachten van hyperzout water. Het gecoate draadgaas verwarmingselement was bevestigd aan een in de handel verkrijgbaar polyvinylideendifluoridemembraan dat in een spiraalgewonden module werd gerold, een ruimtebesparende vorm die in veel commerciële filters wordt gebruikt.

Bij testen, onderzoekers voedden het verwarmingselement met spanning op een huishoudfrequentie van 50 hertz en vermogensdichtheden zo hoog als 50 kilowatt per vierkante meter. Bij maximaal vermogen, het systeem produceerde een flux van meer dan 42 kilogram water per vierkante meter membraan per uur - meer dan 10 keer groter dan omgevingszonnemembraandestillatietechnologieën - met een energie-efficiëntie die veel hoger is dan bestaande membraandestillatietechnologieën.

Li zei dat het team op zoek is naar een industriepartner om het CVD-coatingproces op te schalen en een groter prototype te produceren voor kleinschalige veldtesten.

"We zijn klaar om enkele commerciële toepassingen na te streven, " zei ze. "Het opschalen van het proces op laboratoriumschaal naar een groot 2-D CVD-blad vereist externe ondersteuning."