美国纸浆和造纸工业使用大量的水用于生产纤维素纸浆从树上。水离开制浆过程包含许多有机和无机副产物的化学物质。重用的水和化学物质,造纸厂依靠steam-fed蒸发器,烧开水和单独的化学物质。
水通过蒸发器分离是有效的但使用大量的能源。这是重要的考虑到美国目前是世界第二大生产国的纸和纸板。
据估计,该国大约100造纸厂使用约0.2四(四一千万亿热量)每年的能源水回收,使其成为最耗能的化学过程。所有工业能源消费在美国在2019年总计26.4四胞胎,根据劳伦斯利弗莫尔国家实验室。
另一种是部署节能过滤膜回收制浆废水。但传统聚合物膜——过去几十年商用不能承受手术在恶劣的条件和高的化学制浆废水中浓度和许多其他工业应用。
佐治亚理工学院的研究人员已经发现了一个方法来工程师膜制成的石墨烯氧化物(去),基于碳的化学耐腐蚀材料,所以他们可以在工业应用有效工作。
“去有显著特点,允许水通过它比通过传统膜快得多,”Sankar Nair说,教授,西蒙斯学院研究员,副主席行业拓展乔治亚理工学院的化学和生物分子工程。”,但一个长期存在的问题如何让去膜工作在现实条件下化学浓度高,这样他们可以成为工业相关。”
使用新的制造技术,研究人员能够控制去膜的微观结构,允许他们继续有效地过滤掉水即使在高等化学浓度。
支持的研究,美国能源部Energy-RAPID研究所,一个工业财团的森林产品公司,和佐治亚理工学院的可再生Bioproducts研究所最近在《华尔街日报》报道自然的可持续性。许多行业,在生产过程中使用大量的水将受益于使用这些可以纳滤膜。
Nair同事Meisha Shofner和斯科特•Sinquefield及其研究小组五年前开始这项工作。他们知道去膜一直是公认的巨大潜力在海水淡化,但只有在实验室设置。
”没人可信证明这些膜可以执行在现实工业用水来源和操作条件下,“Nair说。“新类型的结构需要显示高过滤性能和机械稳定性,同时保留优秀的化学稳定性与材料去。”亚博网站下载
创建这样的新结构,团队构思的想法夹层大芳香染料分子之间的床单。研究中正王,陈妈妈,春燕徐发现这些分子强烈约束自己去表在多个方面,包括叠加在另一个分子。
结果是创建“画廊”之间的空间表,与染料分子作为“支柱”。Water molecules easily filter through the narrow spaces between the pillars, while chemicals present in the water are selectively blocked based on their size and shape.
研究人员可以调整膜微观结构纵向和横向,允许他们控制的高度画廊和柱子之间的空间。
团队然后测试了纳滤膜与多个水流含有溶解的化学物质和显示的功能膜拒绝化学物质的大小和形状,即使在高浓度。
最终,他们扩大他们的新膜到表4英尺,展示了超过750小时的操作在一个真正的原料流来自一家造纸厂。
耐尔表示兴奋的潜力去纳滤膜在造纸厂生成成本节约能源的使用,从而改善该行业的可持续性。“这些膜可以节省能源成本的造纸行业超过30%的水分离,“他说。
佐治亚理工学院继续与工业合作伙伴去膜技术应用在纸浆和纸张的应用程序。
这项工作是由美国能源部(DOE)快速发展过程中强化部署(快速)研究所(# DE-EE007888-5-5),一个工业财团Georgia - pacific,国际纸业,SAPPI,再生Bioproducts WestRock,乔治亚理工学院。任何意见、发现和结论或建议在这种材料中表达作者的,不一定反映主办组织的观点。
引文:中正王,et al .,“石墨烯氧化物纳滤膜海水淡化在现实条件下。”(自然的可持续性,2021)https://doi.org/10.1038/s41893 - 020 - 00674 - 3。
