«Ранее никому не удавалось наглядно продемонстрировать, что эти мембраны можно использовать в реальных промышленных процессах». «Потребовалась разработка новых типов структур оксида графена, которые смогли показать высокие фильтрующие характеристики, механическую и химическую стабильность»
В целлюлозно-бумажной промышленности при производстве древесной целлюлозы используется большое количество воды. Образующиеся в этом процессе сточные воды содержат ряд побочных органических продуктов и неорганических химикатов. Чтобы восстановить растворенные химикаты и повторно использовать израсходованную воду, ее пропускают через испарители.
Отделение воды от растворенных в ней химических соединений - это эффективный процесс, но требующий большого количества энергии. Альтернативной технологией, применяемой для повторного использования сточных вод, образующихся при производстве целлюлозы и во многих других промышленных процессах, является использование энергоэффективных фильтрующих мембран. Однако обычные полимерные мембраны, применяемые в течение последних нескольких десятилетий, не выдерживают длительной эксплуатации в чрезмерно агрессивных средах и при высоких концентрациях растворенных в воде химикатов.
Исследователи из Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology) разработали метод создания мембран из оксида графена, химически стойкого материала на основе углерода, которые могут с высокой эффективностью использоваться в промышленности.
«Оксид графена обладает замечательными характеристиками, которые позволяют воде проходить через него намного быстрее, чем через обычные мембраны». Используя инновационные технологии производства, исследователи научились управлять микроструктурой мембран из оксида графена таким образом, чтобы они могли фильтровать воду с высокой эффективностью даже при высоких концентрациях химических веществ.
Материалы исследования были опубликованы в журнале Nature Sustainability [1]. Многие отрасли промышленности, которые используют большое количество воды в своих производственных процессах, могут получить существенную выгоду от использования мембран из оксида графена для нанофильтрации.
«Ранее никому не удавалось наглядно продемонстрировать, что эти мембраны можно использовать в реальных промышленных процессах». «Потребовалась разработка новых типов структур оксида графена, которые смогли показать высокие фильтрующие характеристики, механическую и химическую стабильность».
Чтобы создать такие структуры, была выдвинута идея размещения между слоями оксида графена больших молекул ароматического красителя, которые, как было обнаружено, создают между ними разными способами прочные связи, включая наложение одной молекулы на другую. Результатом этих действий стало появление между слоями оксида графена пространств, в которых молекулы красителя создают своего рода «галереи из столбов».
Молекулы воды легко фильтруются через узкие промежутки между столбиками, 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 горизонтали таким образом, чтобы достигнуть необходимой высоты галереи и заданных расстояний между столбами.
Исследователи испытали мембраны для нанофильтрации из оксида графена в нескольких водных потоках растворенных химикатов, убедившись в способности материала отфильтровывать химические вещества по размеру и форме даже из высококонцентрированных растворов. Далее мембрану из оксида графена увеличили по длине до 122 см и эксплуатировали в течение более 750 часов в реальных условиях на бумажной фабрике.
Возможности мембраны вызвали у разработчиков восхищение из-за ее способности снизить затраты на энергопотребление бумажных фабрик. «Эти мембраны могут сэкономить бумажной промышленности более 30% затрат энергии на фильтрацию воды».
Ссылки:
1. https://doi.org/10.1038/s41893-020-00674-3
Источник: Georgia Institute of Technology
Комментарии ()