Мембраны из оксида графена для эффективной фильтрации сточных вод

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»

В целлюлозно-бумажной промышленности при производстве древесной целлюлозы используется большое количество воды. Сточные воды от этого процесса содержат ряд побочных органических продуктов и неорганических химикатов. Чтобы их восстановить и повторно использовать израсходованную воду, ее пропускают через испарители. Это эффективный метод, но он требует большого количества энергии.

Альтернативной технологией являются энергоэффективные фильтрующие мембраны. Однако обычные полимерные материалы, из которых мембраны изготавливаются на протяжении 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 технологию производства мембран из оксида графена, химически стойкого материала на основе углерода, которые заменят устаревшие методы и материалы в промышленности.

«Оксид графена обладает замечательными характеристиками, которые позволяют воде фильтроваться через него намного быстрее, чем через обычные материалы». Ученые научились управлять микроструктурой мембран из оксида графена таким образом, чтобы они фильтровали воду с высокой эффективностью даже при высоких концентрациях химических веществ.

Исследователи опубликовали свою работу в журнале Nature Sustainability [1]. Многие отрасли промышленности, которые используют большое количество воды в своих производственных процессах, получат существенную выгоду, если перейдут на мембраны из этого материала.

«Ранее никому не удавалось наглядно продемонстрировать, как эти мембраны работают в реальных промышленных процессах». «Потребовалась разработать новые типы структур из оксида графена, которые показали такие высокие фильтрующие характеристики, механическую и химическую стабильность».

Чтобы создать такие структуры, была выдвинута идея разместить между слоями оксида графена большие молекулы ароматического красителя, которые, как было обнаружено, создают между ними разными способами прочные связи, включая наложение одной молекулы на другую. В результате этих действий между слоями появились пространства, в которых молекулы красителя создают своего рода «колонные галереи».

Молекулы воды легко фильтруются через узкие промежутки между колоннами, 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 получить расчетную высоту галереи и расстояния между колоннами.

Исследователи испытали фильтрующие на наноуровне мембраны в нескольких водных растворах, убедившись, что материал отфильтровывает 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 чем 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