Grafene per la desalinizzazione

introduzione

Attualmente, ~ 1,2 miliardi di persone in tutto il mondo soffrono di una carenza di acqua e delle sue conseguenze negative su salute, cibo ed energia. Da un lato, la crescita della popolazione, l'aumento dell'industrializzazione e le maggiori esigenze energetiche e, dall'altro, la perdita di neve, il restringimento dei ghiacciai e così via peggioreranno questa situazione nei prossimi anni. Come stimato dal World Water Council, il numero di persone colpite salirà a 3,9 miliardi nei prossimi decenni.

Uno degli approcci più promettenti per alleviare la carenza d'acqua, la desalinizzazione può aumentare l'approvvigionamento idrico oltre a ciò che è disponibile dal ciclo idrologico. La desalinizzazione dell'acqua di mare fornisce in effetti una fornitura infinita e costante di acqua di alta qualità che non danneggia gli ecosistemi di acqua dolce naturali.

L'acqua di mare comprende una vasta scorta di acqua (97,5% di tutta l'acqua del pianeta). Pertanto, la crescita dell'installazione di impianti di desalinizzazione dell'acqua di mare negli ultimi dieci anni per eludere i problemi di carenza d'acqua nei paesi stressati dall'acqua è progredita rapidamente. Nel 2016, la produzione globale di acqua per desalinizzazione è stata stimata in 38 miliardi di metri cubi all'anno, ovvero due volte superiore a quella nel 2008.

Finora, la desalinizzazione dell'acqua di mare è stata eseguita principalmente tramite distillazione flash a più stadi e osmosi inversa (RO). Principalmente nei paesi aridi del Golfo Persico, le piante di desalinizzazione si esibiscono in base al riscaldamento e quindi alla condensa dell'acqua di mare. Questo tipo di impianto di desalinizzazione consuma grandi quantità di energia termica ed elettrica, emettendo così ampiamente gas serra. Oltre a questa versione non economica e non ecofrondata delle piante di desalinizzazione, il principale tipo di piante di desalinizzazione costruite negli ultimi due decenni, nonché quelle pianificate future, si basano sulla tecnologia RO.

Filtri del grafene: fino al 50 % in meno di energia

Isolato per la prima volta nel 2003, il grafene ha proprietà elettriche, ottiche e meccaniche diverse rispetto alla grafite. [È più forte dell'acciaio e ha proprietà di setacciatura uniche ", dice Grossman. Solo a un atomo di spessore, c'è una perdita di attrito molto meno quando si spinge l'acqua di mare attraverso un filtro di grafene perforato rispetto ai filtri di plastica in poliammide che sono stati Utilizzato negli ultimi 50 anni, dice.

[Abbiamo dimostrato che i filtri di grafene perforati possono gestire le pressioni idriche degli impianti di desalinizzazione, offrendo al contempo centinaia di volte una migliore permeabilità ", spiega Grossman. [Il processo di pompaggio dell'acqua di mare attraverso i filtri rappresenta circa la metà dei costi operativi di un impianto di desalinizzazione. Con grafene, con grafene, Potremmo usare il 15 percento in meno di energia per l'acqua di mare e fino al 50 % in meno di energia per l'acqua salmastra ".

Un altro vantaggio è che i filtri del grafene non vengono sporchi di bio-crescita a quasi la velocità che si verifica con i filtri di poliammide. Gli impianti di desalinizzazione funzionano spesso a una ridotta efficienza a causa della necessità di pulire frequentemente i filtri. Inoltre, il cloro utilizzato per pulire i filtri riduce l'integrità strutturale della poliammide, che richiede una frequente sostituzione. In confronto, il grafene è resistente agli effetti dannosi del cloro.

Secondo Grossman, è possibile facilmente sostituire i filtri di poliammide con i filtri di grafene nelle piante esistenti. Come i filtri di poliammide, i filtri di grafene possono essere montati su solidi supporti polisolfoni, che hanno fori più grandi che setacciano i particelle.

Tuttavia, rimangono sfide significative nel ridurre i costi. Il gruppo Grossman ha fatto buoni progressi nella creazione di elevati volumi di grafene a un costo ragionevolmente basso. Una sfida più seria, tuttavia, è colpire i fori uniformi in modo economico nel grafene in modo altamente scalabile.

[Una pianta tipica ha decine di migliaia di membrane, configurate in tubi lunghi di due metri, ognuna delle quali ha 40 metri quadrati di membrana attiva arrotolata ", dice Grossman. [Dobbiamo abbinare quel volume allo stesso costo o IT "SA non starter."

Fare grafene a buon mercato

Il modo tradizionale di fare il grafene - sin dal suo primo isolamento nel 2003, intendiamoci - è di staccarlo con l'adesivo. [Prendi letteralmente un pezzo di nastro scozzese in grafite e ti sbucci ", spiega Grossman. [Se continui a farlo, alla fine si finisce con un singolo strato. Il problema è che ci vorrebbe un'eternità per staccare abbastanza grafene per una dissalazione pianta."

Un altro approccio è [far crescere il grafene applicando gas superla al foglio di rame. [La crescita del grafene fornisce la migliore qualità, motivo per cui l'industria dei semiconduttori è interessata a esso ", afferma Grossman. Il processo, tuttavia, è molto costoso e ad alta intensità di energia.

Invece, il gruppo Grossman sta utilizzando un approccio chimico molto più conveniente, che produce una qualità sufficiente per la creazione di membrane di desalinizzazione. [Fortunatamente, la nostra applicazione non richiede la migliore qualità ", afferma Grossman. [Con la tecnica chimica, mettiamo la grafite in una soluzione e applichiamo chimica a bassa temperatura per rompere l'intero pezzo di grafite in fogli. Possiamo ottenere molti di grafene in modo molto economico e rapido. "

Creare pori che bloccano il sale ma che le molecole d'acqua passino è una sfida più ripida. La ragione per cui la desalinizzazione è possibile in primo luogo è che quando diffusa in acqua, gli ioni sale si legano alle molecole d'acqua, creando così un'entità più ampia. Ma la differenza di dimensioni rispetto a una molecola d'acqua libera è ancora frustrante.

[La sfida è trovare il punto debole di circa 0,8 nanometri ", dice Grossman. [Se i pori sono a 1,5 nm, sia l'acqua che il sale passano attraverso. Se sono mezzo nanometro, allora nulla passa. "

Un buco di 0,8 nm è [più piccolo di quanto siamo mai stati in grado di realizzare in modo controllabile con qualsiasi altro materiale ", dice Grossman. [E dobbiamo farlo su un'area molto ampia in modo molto coerente ed economico."

Il gruppo Grossman sta perseguendo tre tecniche per produrre membrane di grafene nanoporose, tutte che utilizzano energia chimica e termica piuttosto che processi meccanici. ; con un materiale senza buchi e poi strapparlo con cura. "

La tecnica chimica per la produzione di grafene produce effettivamente ossido di grafene, che è considerato indesiderabile per i semiconduttori, ma va bene per i filtri. Di conseguenza, i ricercatori sono stati in grado di evitare la difficile fase di rimozione dell'ossigeno dall'ossido di grafene. In effetti, hanno trovato un modo per usare l'ossigeno a loro vantaggio.

[Controllando il modo in cui l'ossigeno è legato al foglio di grafene, possiamo usare l'energia chimica e termica per praticare i fori con l'aiuto dell'ossigeno ", afferma Grossman.

Primo bersaglio: acqua salmastra

Mentre il gruppo Grossman continua a lavorare sulla sfida della produzione e perforare i fogli di grafene, Grossman sta cercando di sfruttare altri vantaggi dei filtri di grafene per aiutare a portare la tecnologia sul mercato.

Sebbene il grafene debba migliorare l'efficienza con l'acqua di mare e l'acqua ancora più salata e più sporca utilizzata nella frattura idraulica, probabilmente debutterà nelle piante che puliscono l'acqua salmastra, come quella che si trova negli estuari. [Si scopre che una maggiore permeabilità anche di un fattore di due o tre farebbe una differenza maggiore con l'acqua salmastra rispetto all'acqua di mare ", dice Grossman. [Si abbassa il consumo di energia in entrambi i casi, ma più per l'acqua salmastra".

I filtri di grafene potrebbero anche consentire la costruzione di piante più piccole ed economiche. ; Costo energetico inferiore. "

Grossman nota che possono essere necessari anni o addirittura decenni per il sito e consentire una pianta in aree costiere fortemente popolate. [Un sacco di sforzi vanno su come costruirai la pianta e dove troverai abbastanza terra ", dice Grossman. [Avere la possibilità di costruire una pianta più piccola sarebbe un grande vantaggio."

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