Grafeen voor ontzilting

Invoering

Momenteel lijden ~ 1,2 miljard mensen over de hele wereld aan een tekort aan water en de nadelige gevolgen voor gezondheid, voedsel en energie. Aan de ene kant, bevolkingsgroei, verhoogde industrialisatie en grotere energiebehoeften en anderzijds verlies van sneeuwsmelt, krimp van gletsjers enzovoort zal deze situatie in de komende jaren verergeren. Zoals geschat door de World Water Council, zal het aantal getroffen mensen de komende decennia stijgen tot 3,9 miljard.

Een van de meest veelbelovende benaderingen om het watertekort te verlichten, ontzilting kan de watervoorziening vergroten die verder is dan wat beschikbaar is vanuit de hydrologische cyclus. Ontzilting van zeewater biedt inderdaad een oneindige, gestage levering van water van hoge kwaliteit dat natuurlijke zoetwaterecosystemen niet schaadt.

Zeewater bestaat uit een enorme toevoer van water (97,5% van alle water op de planeet). Aldus is de groei van de installatie van de ontziltingsfaciliteiten van zeewater in het afgelopen decennium om problemen met het watertekort in water-gestresste landen te omzeilen, snel vooruitgegaan. In 2016 werd de wereldwijde waterproductie door ontzilting geschat op 38 miljard kubieke meter per jaar, dat wil zeggen twee keer hoger dan die in 2008.

Tot nu toe is de ontzilting van zeewater voornamelijk uitgevoerd via multistage flash -destillatie en omgekeerde osmose (RO). Vooral in de droge Perzische Golflanden presteren ontziltingsfabrieken op basis van verwarming en vervolgens het condenseren van zeewater. Dit soort ontziltingsinstallatie verbruikt grote hoeveelheden thermische en elektrische energie, waardoor de broeikasgassen uitgebreid worden uitgezonden. Naast deze niet-economische en niet-ecofriendelijke versie van ontziltingsinstallaties, zijn het belangrijkste type ontziltingsinstallaties gebouwd in de afgelopen twee decennia, evenals toekomstige geplande, gebaseerd op RO-technologie.

Grafeenfilters: tot 50 procent minder energie

Eerst geïsoleerd in 2003, grafeen heeft verschillende elektrische, optische en mechanische eigenschappen dan grafiet. [Het is sterker dan staal, en het heeft unieke zevende eigenschappen, "zegt Grossman. Bij slechts een atoom dik is er veel minder wrijvingsverlies wanneer je zeewater door een geperforeerd grafeenfilter duwt vergeleken met de polyamide plastic filters die zijn geweest die zijn geweest Gebruikt de afgelopen 50 jaar, zegt hij.

[We hebben aangetoond dat geperforeerde grafeenfilters de waterdruk van ontziltingsinstallaties kunnen verwerken en tegelijkertijd honderden keren betere permeabiliteit bieden, "legt Grossman uit. [Het proces van het pompen van zeewater door filters vertegenwoordigt ongeveer de helft van de operationele kosten van een ontziltingsinstallatie. Met grafeen, We kunnen 15 procent minder energie gebruiken voor zeewater en tot 50 procent minder energie voor brak water. "

Een ander voordeel is dat grafeenfilters niet worden vervuild met bio-groei met bijna de snelheid die optreedt met polyamidefilters. Ontziltingsinstallaties lopen vaak bij verminderde efficiëntie vanwege de noodzaak om de filters vaak schoon te maken. Bovendien vermindert het chloor dat wordt gebruikt om de filters te reinigen de structurele integriteit van het polyamide, waarvoor frequente vervanging vereist is. Ter vergelijking: grafeen is resistent tegen de schadelijke effecten van chloor.

Volgens Grossman kunt u gemakkelijk polyamidefilters vervangen door grafeenfilters in bestaande fabrieken. Net als polyamidefilters kunnen grafeenfilters worden gemonteerd op robuuste polysulfonsteunen, die grotere gaten hebben die deeltjes uiten.

Toch blijven er aanzienlijke uitdagingen bestaan ​​om de kosten te verlagen. De Grossman Group heeft goede vooruitgang geboekt bij het creëren van grote volumes grafeen tegen een redelijk lage kosten. Een serieuzere uitdaging is echter kosteneffectief porrenen van uniforme gaten in het grafeen op een zeer schaalbare manier.

[Een typische plant heeft tienduizenden membranen, geconfigureerd in twee meter lange buizen, die elk 40 vierkante meter opgerold actief membraan hebben, "zegt Grossman. [We moeten dat volume matchen tegen dezelfde kosten, of het `Sa nonstarter."

Graphene goedkoop maken

De traditionele manier om grafeen te maken - omdat de eerste isolatie in 2003, let wel - is om het af te pellen met lijm. [Je neemt letterlijk een stuk Scotch -tape naar Graphite en je peelt, "legt Grossman uit. [Als je dit blijft doen, kom je uiteindelijk eindigen met een enkele laag. Het probleem is dat het een eeuwigheid zou duren om voldoende grafeen af ​​te pellen voor een ontzilting plant."

Een andere benadering is om [grafeen te laten groeien door supergloeiende gassen toe te passen op koperen folie. [Growing grafeen biedt de beste kwaliteit, daarom is de halfgeleiderindustrie erin geïnteresseerd, "zegt Grossman. Het proces is echter erg duur en energie-intensief.

In plaats daarvan gebruikt de Grossman -groep een veel meer betaalbare chemische benadering, die voldoende kwaliteit oplevert voor het creëren van ontziltingsmembranen. [Gelukkig vereist onze toepassing niet de beste kwaliteit, "zegt Grossman. [Met de chemische techniek plaatsen we grafiet in een oplossing en brachten we chemie met lage temperatuur toe om het hele stuk grafiet in vellen te breken. We kunnen veel krijgen van grafeen zeer goedkoop en snel. "

Het creëren van poriën die zout blokkeren, maar wat de watermoleculen laten passeren is een steilere uitdaging. De reden dat ontzilting in de eerste plaats mogelijk is, is dat, wanneer diffuus in water, zoutionen binden met watermoleculen, waardoor een grotere entiteit ontstaat. Maar het verschil in grootte in vergelijking met een vrij watermolecuul is nog steeds frustrerend klein.

[De uitdaging is om de sweet spot van ongeveer 0,8 nanometer te vinden, "zegt Grossman. [Als je poriën op 1,5 nm zijn, dan zullen zowel het water als het zout erdoorheen gaan. Als ze een halve nanometer zijn, komt er niets door. "

Een gat van 0,8 nm is [kleiner dan we ooit op een controleerbare manier hebben kunnen maken met enig ander materiaal, "zegt Grossman. [En we moeten dit heel consistent en goedkoop over een zeer groot gebied doen."

De Grossman Group nastreeft drie technieken om nanoporeuze grafeenmembranen te maken, die allemaal chemische en thermische energie gebruiken in plaats van mechanische processen. [Als je probeert lithografie te gebruiken, zou het jaren duren, "zegt Grossman. [Onze eerste aanpak houdt in dat de gaten te groot worden en ze vervolgens zorgvuldig in te vullen. Een ander probeert ze precies de juiste maat te maken, en de derde omvat beginnen met een materiaal zonder gaten en scheur het vervolgens voorzichtig uit elkaar. "

De chemische techniek voor het maken van grafeen produceert eigenlijk grafeenoxide, dat als ongewenst wordt beschouwd voor halfgeleiders, maar prima is voor filters. Als gevolg hiervan konden de onderzoekers de moeilijke stap vermijden om de zuurstof uit het grafeenoxide te verwijderen. In feite vonden ze een manier om de zuurstof in hun voordeel te gebruiken.

[Door de manier waarop de zuurstof wordt gebonden aan het grafeenblad te regelen, kunnen we chemische en thermische energie gebruiken om de gaten te boren met behulp van de zuurstof, "zegt Grossman.

Eerste doelwit: brak water

Terwijl de Grossman Group blijft werken aan de uitdaging van de productie en perforatie van grafeenbladen, wil Grossman andere voordelen van grafeenfilters gebruiken om de technologie op de markt te brengen.

Hoewel grafeen de efficiëntie zou moeten verbeteren met zeewater en het nog zoutere, vuile water dat wordt gebruikt bij hydraulische breuk, zal het waarschijnlijk debuteren in planten die brak water reinigen, zoals gevonden in estuaria. [Het blijkt dat een hogere permeabiliteit, zelfs met een factor twee of drie, een groter verschil zou maken met brak water dan met zeewater, "zegt Grossman. [Je verlaagt het energieverbruik in beide gevallen, maar meer voor brak water."

Grafeenfilters kunnen ook de constructie van kleinere, goedkopere planten mogelijk maken. [Met grafeen heb je meer keuzes in hoe je de plant bedient, "zegt Grossman. [Je zou dezelfde druk kunnen uitoefenen, maar meer water eruit halen, of je zou het bij lagere druk kunnen bedienen en dezelfde hoeveelheid water kunnen krijgen, maar op een lagere energiekosten. "

Grossman merkt op dat het jaren of zelfs tientallen jaren kan duren om een ​​fabriek toe te staan ​​in zwaarbevolkte kustgebieden. [Er gaat veel moeite om hoe je de plant gaat bouwen en waar je genoeg land gaat vinden, "zegt Grossman. [De optie hebben om een ​​kleinere plant te bouwen zou een groot voordeel zijn."

Lina Banbury Dispersion Kneader voor Grephene Mixing and Making

Lina New Type Banbury Dispersion Kneader is ontworpen voor de Grephene, we hebben de grafeenafdeling om de machinetechnologie te ondersteunen.