De Amerikaanse pulp- en papierindustrie gebruikt grote hoeveelheden water om cellulosepulp van bomen te produceren. Het water dat het pulpproces verlaat, bevat een aantal organische bijproducten en anorganische chemicaliën. Om het water en de chemicaliën opnieuw te gebruiken, papierfabrieken vertrouwen op stoomverdampers die het water koken en scheiden van de chemicaliën.

Waterafscheiding door verdampers is effectief maar kost veel energie. Dat is belangrijk, aangezien de Verenigde Staten momenteel de op één na grootste producent van papier en karton ter wereld is. De ongeveer 100 papierfabrieken van het land gebruiken naar schatting ongeveer 0,2 quads (een quad is een biljard BTU) per jaar voor waterrecycling, waardoor het een van de meest energie-intensieve chemische processen is. Alle industriële energieverbruik in de Verenigde Staten in 2019 bedroeg 26,4 quads, volgens het Lawrence Livermore National Laboratory.

Een alternatief is om energie-efficiënte filtratiemembranen in te zetten om pulpafvalwater te recyclen. Maar conventionele polymeermembranen - die de afgelopen decennia in de handel verkrijgbaar zijn - zijn niet bestand tegen de zware omstandigheden en hoge chemische concentraties die worden aangetroffen in het verpulveren van afvalwater en vele andere industriële toepassingen.

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een methode gevonden om membranen te maken die zijn gemaakt van grafeenoxide (GO), een chemisch bestendig materiaal op basis van koolstof, zodat ze effectief kunnen werken in industriële toepassingen.

"GO heeft opmerkelijke eigenschappen waardoor water er veel sneller doorheen kan dan door conventionele membranen, " zei Sankar Nair, professor, Simmons Faculteitsgenoot, en associate chair for Industry Outreach in de Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Maar een al lang bestaande vraag is hoe GO-membranen kunnen werken in realistische omstandigheden met hoge chemische concentraties, zodat ze industrieel relevant kunnen worden."

Door gebruik te maken van nieuwe fabricagetechnieken, de onderzoekers kunnen de microstructuur van GO-membranen zodanig sturen dat ze zelfs bij hogere chemische concentraties effectief water kunnen blijven filteren.

Het onderzoek, ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy-RAPID Institute, een industrieel consortium van bosbouwproducten, en Georgia Tech's Renewable Bioproducts Institute, werd onlangs in het tijdschrift gerapporteerd Natuur Duurzaamheid . Veel industrieën die grote hoeveelheden water gebruiken in hun productieprocessen kunnen baat hebben bij het gebruik van deze GO-nanofiltratiemembranen.

Naïr, zijn collega's Meisha Shofner en Scott Sinquefield, en hun onderzoeksteam begon dit werk vijf jaar geleden. Ze wisten dat GO-membranen al lang erkend waren vanwege hun grote potentieel voor ontzilting, maar alleen in een laboratoriumomgeving. "Niemand had op geloofwaardige wijze aangetoond dat deze membranen kunnen presteren in realistische industriële waterstromen en bedrijfsomstandigheden, " Zei Nair. "Er waren nieuwe soorten GO-structuren nodig die hoge filtratieprestaties en mechanische stabiliteit vertoonden, terwijl de uitstekende chemische stabiliteit behouden bleef die met GO-materialen wordt geassocieerd."

Om dergelijke nieuwe structuren te creëren, het team kwam op het idee om grote aromatische kleurstofmoleculen tussen GO-vellen te plaatsen. Onderzoekers Zhongzhen Wang, Chen Ma, en Chunyan Xu ontdekte dat deze moleculen zich op meerdere manieren sterk aan de GO-vellen bonden, inclusief het stapelen van het ene molecuul op het andere. Het resultaat was de creatie van "galerij"-ruimtes tussen de GO-bladen, waarbij de kleurstofmoleculen als "pilaren" werken. Watermoleculen filteren gemakkelijk door de nauwe ruimtes tussen de pilaren, terwijl chemicaliën in het water selectief worden geblokkeerd op basis van hun grootte en vorm. De onderzoekers konden de membraanmicrostructuur verticaal en lateraal afstemmen, waardoor ze zowel de hoogte van de galerij als de hoeveelheid ruimte tussen de pilaren kunnen regelen.

Het team testte vervolgens de GO-nanofiltratiemembranen met meerdere waterstromen die opgeloste chemicaliën bevatten en toonde het vermogen van de membranen om chemicaliën af te wijzen naar grootte en vorm, zelfs bij hoge concentraties. uiteindelijk, ze hebben hun nieuwe GO-membranen opgeschaald naar vellen met een lengte tot 1,20 meter en hebben hun werking gedurende meer dan 750 uur gedemonstreerd in een echte voedingsstroom afkomstig van een papierfabriek.

Nair sprak zijn opwinding uit over het potentieel van GO-membraan-nanofiltratie om kostenbesparingen te genereren in het energieverbruik van papierfabrieken, die de duurzaamheid van de sector zou kunnen verbeteren. "Deze membranen kunnen de papierindustrie meer dan 30% besparen op de energiekosten van waterscheiding, " hij zei.