Grafen för avsaltning

Introduktion

För närvarande lider ~ 1,2 miljarder människor runt om i världen av brist på vatten och dess negativa konsekvenser för hälsa, mat och energi. Å ena sidan, befolkningstillväxt, ökad industrialisering och större energibehov och å andra sidan förlust av snösmältning, krympning av glaciärer och så vidare kommer att förvärras denna situation under de kommande åren. Som uppskattats av World Water Council kommer antalet berörda människor att stiga till 3,9 miljarder under de kommande decennierna.

En av de mest lovande metoderna för att lindra vattenbristen, avsaltning kan öka vattenförsörjningen utöver vad som är tillgängligt från den hydrologiska cykeln. Havsvatten avsaltning ger verkligen en oändlig, stadig tillförsel av högkvalitativt vatten som inte skadar naturliga sötvattenekosystem.

Havsvatten utgör en enorm vattenförsörjning (97,5% av allt vatten på planeten). Således har tillväxten av installationen av avsaltningsanläggningar för havsvatten under det senaste decenniet för att kringgå problem med vattenbrist i vattenstressade länder snabbt utvecklats. 2016 beräknades den globala vattenproduktionen genom avsaltning till 38 miljarder kubikmeter per år, det vill säga två gånger högre än 2008.

Hittills har avsaltning av havsvatten huvudsakligen utförts via flashdestillation av flera steg och omvänd osmos (RO). Mest i de torra Persiska viken länder presterar avsaltningsanläggningar baserat på uppvärmning och sedan kondensering av havsvatten. Denna typ av avsaltningsanläggning förbrukar stora mängder termisk och elektrisk energi och avger därmed växthusgaser i stor utsträckning. Utöver denna icke-ekonomiska och icke-ekonomiska version av avsaltningsanläggningar är den huvudsakliga typen av avsaltningsanläggningar som är konstruerade under de senaste två decennierna, liksom framtida planerade, baserade på RO-teknik.

Grafenfilter: Upp till 50 procent mindre energi

Först isolerad 2003 har grafen olika elektriska, optiska och mekaniska egenskaper än grafit. [Det är starkare än stål, och det har unika siktningsegenskaper, säger Grossman. På bara en atom tjock är det mycket mindre friktionsförlust när du skjuter havsvatten genom ett perforerat grafenfilter jämfört med polyamidplastfiltren som har varit Används under de senaste 50 åren, säger han.

[Vi har visat att perforerade grafenfilter kan hantera vattentrycket i avsaltningsanläggningar samtidigt som de erbjuder hundratals gånger bättre permeabilitet, förklarar Grossman. [Processen att pumpa havsvatten genom filter representerar ungefär hälften av driftskostnaderna för en avsaltningsanläggning. Med grafen,, Vi kan använda 15 procent mindre energi för havsvatten och upp till 50 procent mindre energi för brackvatten. "

En annan fördel är att grafenfilter inte blir fouled med bioväxt med nästan den hastighet som inträffar med polyamidfilter. Avsaltningsanläggningar körs ofta med reducerad effektivitet på grund av behovet av att ofta rengöra filtren. Dessutom minskar klor som används för att rengöra filtren polyamidens strukturella integritet, vilket kräver ofta ersättning. Som jämförelse är grafen resistent mot de skadliga effekterna av klor.

Enligt Grossman kan du enkelt ersätta polyamidfilter med grafenfilter i befintliga växter. Liksom polyamidfilter kan grafenfilter monteras på robusta polysulfonstöd, som har större hål som siktar ut partiklar.

Ändå kvarstår betydande utmaningar för att sänka kostnaderna. Grossman -gruppen har gjort goda framsteg när det gäller att skapa höga volymer grafen till en ganska låg kostnad. En mer allvarlig utmaning är dock kostnadseffektivt att sticka enhetliga hål i grafen på ett mycket skalbart sätt.

[En typisk växt har tiotusentals membran, konfigurerade i två meter långa rör, som var och en har 40 kvadratmeter rullat upp aktivt membran, säger Grossman. [Vi måste matcha den volymen till samma kostnad, eller den "SA NONSTARTER."

Gör grafen på billigt

Det traditionella sättet att göra grafen - sedan den första isoleringen 2003, tänk på dig - är att skala av den med lim. [Du tar bokstavligen en bit skotsk tejp till grafit och du skalar, "förklarar Grossman. [Om du fortsätter att göra detta, slutar du så småningom med ett enda lager. Problemet är att det skulle ta evigt att skala av tillräckligt med grafen för en avsaltning växt."

Ett annat tillvägagångssätt är att [växa "grafen genom att applicera super heta gaser på kopparfolie. [Växande grafen ger bästa kvalitet, varför halvledarindustrin är intresserad av den," säger Grossman. Processen är dock mycket dyr och energikrävande.

Istället använder Grossman -gruppen en mycket mer prisvärd kemisk strategi, som producerar tillräcklig kvalitet för att skapa avsaltningsmembran. [Lyckligtvis kräver vår applikation inte den bästa kvaliteten, säger Grossman. [Med den kemiska tekniken sätter vi grafit i en lösning och tillämpar kemi med låg temperatur för att bryta isär hela grafitens bit i ark. Vi kan få massor av grafen mycket billigt och snabbt. "

Att skapa porer som blockerar salt men låt vattenmolekyler passera är en brantare utmaning. Anledningen till att avsaltning är möjlig i första hand är att när de sprids i vatten binds saltjoner med vattenmolekyler och därmed skapar en större enhet. Men skillnaden i storlek jämfört med en fri vattenmolekyl är fortfarande frustrerande liten.

[Utmaningen är att hitta den söta platsen på cirka 0,8 nanometer, "säger Grossman. [Om dina porer är på 1,5 nm, kommer både vattnet och saltet att passera igenom. Om de är en halv nanometer, kommer ingenting igenom. "

Ett hål på 0,8 nm är [mindre än vi någonsin har kunnat göra på ett kontrollerbart sätt med något annat material, säger Grossman. [Och vi måste göra detta över ett mycket stort område mycket konsekvent och billigt. "

Grossman -gruppen bedriver tre tekniker för att göra nanoporösa grafenmembran, som alla använder kemisk och termisk energi snarare än mekaniska processer. [Om du försökte använda litografi skulle det ta år, säger Grossman. [Vårt första tillvägagångssätt innebär att göra hålen för stora och sedan försiktigt fylla dem i. En annan försöker göra dem exakt rätt storlek, och den tredje innebär att starta med ett material utan hål och sedan försiktigt rippa det isär. "

Den kemiska tekniken för att tillverka grafen producerar faktiskt grafenoxid, som anses oönskad för halvledare, men är bra för filter. Som ett resultat kunde forskarna undvika det svåra steget att ta bort syre från grafenoxiden. Faktum är att de hittade ett sätt att använda syre till sin fördel.

[Genom att kontrollera hur syre är bundet till grafenarket kan vi använda kemisk och termisk energi för att borra hålen med hjälp av syre, säger Grossman.

Första målet: brackvatten

När Grossman -gruppen fortsätter att arbeta med utmaningen att tillverka och perforera grafenblad, ser Grossman att utnyttja andra fördelar med grafenfilter för att hjälpa till att få tekniken till marknaden.

Även om grafen borde förbättra effektiviteten med havsvatten och det ännu saltare, smutsigare vatten som används i hydraulisk sprickning, kommer det troligtvis att debutera i växter som rengör brackvatten, såsom finns i flodmynningar. [Det visar sig att högre permeabilitet även med en faktor på två eller tre skulle göra en större skillnad med brackvatten än med havsvatten, säger Grossman. [Du sänker energiförbrukningen i båda fallen, men mer för brackvatten. "

Grafenfilter kan också möjliggöra konstruktion av mindre, billigare växter. [Med grafen har du fler val i hur du använder anläggningen, säger Grossman. [Du kan applicera samma tryck men få mer vatten ut, eller så kan du använda det vid lägre tryck och få samma mängd vatten, men vid en lägre energikostnad. "

Grossman konstaterar att det kan ta år eller till och med decennier till plats och tillåta en växt i kraftigt befolkade kustområden. [Mycket ansträngning går in på hur du ska bygga upp växten och var du kommer att hitta tillräckligt med mark, säger Grossman. [Att ha möjlighet att bygga en mindre anläggning skulle vara en stor fördel. "

Lina Banbury Dispersion Kneader för GREPHENE Mixing and Making

Lina New Type Banbury Dispersion Kneader är utformad för Grophene, vi har grafenavdelningen för att stödja maskintekniken.