Graphene για αφαλάτωση

Εισαγωγή

Επί του παρόντος, ~ 1,2 δισεκατομμύρια άνθρωποι σε όλο τον κόσμο υποφέρουν από έλλειψη νερού και δυσμενείς συνέπειες για την υγεία, τα τρόφιμα και την ενέργεια. Από τη μία πλευρά, η αύξηση του πληθυσμού, η αυξημένη εκβιομηχάνιση και οι μεγαλύτερες ενεργειακές ανάγκες και, από την άλλη πλευρά, η απώλεια χιονιού, η συρρίκνωση των παγετώνων και ούτω καθεξής θα επιδεινώσει αυτή την κατάσταση τα επόμενα χρόνια. Όπως εκτιμάται από το Παγκόσμιο Συμβούλιο Υδάτων, ο αριθμός των προσβεβλημένων ανθρώπων θα ανέλθει σε 3,9 δισεκατομμύρια τις επόμενες δεκαετίες.

Μία από τις πιο ελπιδοφόρες προσεγγίσεις για την ανακούφιση της έλλειψης νερού, η αφαλάτωση μπορεί να αυξήσει την παροχή νερού πέρα ​​από αυτό που είναι διαθέσιμο από τον υδρολογικό κύκλο. Η αφαλάτωση του θαλασσινού νερού παρέχει πράγματι μια άπειρη, σταθερή παροχή νερού υψηλής ποιότητας που δεν βλάπτει τα φυσικά οικοσυστήματα γλυκού νερού.

Το θαλασσινό νερό περιλαμβάνει μια τεράστια παροχή νερού (97,5% του συνόλου του νερού στον πλανήτη). Έτσι, η ανάπτυξη της εγκατάστασης των εγκαταστάσεων αφαλάτωσης θαλασσινού νερού κατά την τελευταία δεκαετία για να παρακάμψει τα προβλήματα έλλειψης νερού στις χώρες που αντισταθμίστηκαν από το νερό έχει προχωρήσει γρήγορα. Το 2016, η παγκόσμια παραγωγή νερού με αφαλάτωση εκτιμάται ότι είναι 38 δισεκατομμύρια κυβικά μέτρα ετησίως, δηλαδή δύο φορές υψηλότερη από εκείνη το 2008.

Μέχρι στιγμής, η αφαλάτωση του θαλασσινού νερού πραγματοποιήθηκε κυρίως μέσω απόσταξης φλας πολλαπλών σταδίων και αντίστροφης όσμωσης (RO). Κυρίως στις άγονες χώρες του Περσικού Κόλπου, τα εργοστάσια αφαλάτωσης εκτελούνται με βάση τη θέρμανση και στη συνέχεια τη συμπύκνωση του θαλασσινού νερού. Αυτό το είδος εγκατάστασης αφαλάτωσης καταναλώνει μεγάλες ποσότητες θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας, εκπέμποντας έτσι αερίων θερμοκηπίου εκτεταμένα. Εκτός από αυτή την μη οικονομική και μη ευφυή έκδοση των μονάδων αφαλάτωσης, ο κύριος τύπος μονάδων αφαλάτωσης που κατασκευάστηκε τις τελευταίες δύο δεκαετίες, καθώς και μελλοντικές προγραμματισμένες, βασίζονται στην τεχνολογία RO.

Φίλτρα Graphene: έως και 50 τοις εκατό λιγότερη ενέργεια

Πρώτα απομονωμένα το 2003, το graphene έχει διαφορετικές ηλεκτρικές, οπτικές και μηχανικές ιδιότητες από τον γραφίτη. [Είναι ισχυρότερο από το χάλυβα και έχει μοναδικές ιδιότητες κοσκινίσεως ", λέει ο Grossman. Χρησιμοποιείται για τα τελευταία 50 χρόνια, λέει.

[Έχουμε δείξει ότι τα διάτρητα φίλτρα graphene μπορούν να χειριστούν τις πιέσεις του νερού των φυτών αφαλάτωσης, προσφέροντας εκατοντάδες φορές καλύτερη διαπερατότητα ", εξηγεί ο Grossman. [Η διαδικασία άντλησης θαλασσινών μέσω φίλτρων αντιπροσωπεύει περίπου το ήμισυ του λειτουργικού κόστους ενός εργοστασίου αφαλάτωσης. Θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε 15 τοις εκατό λιγότερη ενέργεια για θαλασσινό νερό και έως και 50 τοις εκατό λιγότερη ενέργεια για υφάλμυρο νερό. "

Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι τα φίλτρα του Graphene δεν γίνονται φτερωτά με βιο-ανάπτυξη με σχεδόν το ρυθμό που συμβαίνει με φίλτρα πολυαμιδίου. Τα φυτά αφαλάτωσης συχνά λειτουργούν με μειωμένη απόδοση λόγω της ανάγκης να καθαριστούν συχνά τα φίλτρα. Επιπλέον, το χλώριο που χρησιμοποιείται για τον καθαρισμό των φίλτρων μειώνει τη δομική ακεραιότητα του πολυαμιδίου, απαιτώντας συχνή αντικατάσταση. Συγκριτικά, το graphene είναι ανθεκτικό στις επιζήμιες επιδράσεις του χλωρίου.

Σύμφωνα με τον Grossman, θα μπορούσατε εύκολα να αντικαταστήσετε τα φίλτρα πολυαμιδίου με φίλτρα graphene σε υπάρχοντα φυτά. Όπως τα φίλτρα πολυαμιδίου, τα φίλτρα graphene μπορούν να τοποθετηθούν σε ισχυρές υποστηρίξεις πολυσουλφόνης, τα οποία έχουν μεγαλύτερες τρύπες που κοσκινίζουν σωματίδια.

Ωστόσο, παραμένουν σημαντικές προκλήσεις για την κατάργηση του κόστους. Ο όμιλος Grossman έχει σημειώσει καλή πρόοδο στη δημιουργία μεγάλων όγκων γραφένιου με λογικά χαμηλό κόστος. Μια πιο σοβαρή πρόκληση, ωστόσο, είναι η οικονομικά αποδοτική ομοιόμορφη τρύπες στο graphene με εξαιρετικά κλιμακωτό τρόπο.

[Ένα τυπικό φυτό έχει δεκάδες χιλιάδες μεμβράνες, διαμορφωμένες σε σωλήνες μήκους δύο μέτρων, καθένας από τους οποίους έχει 40 τετραγωνικά μέτρα από την τυλιγμένη ενεργή μεμβράνη ", λέει ο Grossman. [Πρέπει να ταιριάξουμε αυτόν τον όγκο με το ίδιο κόστος ή `sa nonstarter."

Κάνοντας graphene στο φτηνό

Ο παραδοσιακός τρόπος για να φτιάξετε το graphene - από την πρώτη του απομόνωση το 2003, το μυαλό σας - είναι να το ξεφλουδίσει με κόλλα. [Κυριολεκτικά παίρνετε ένα κομμάτι ταινίας Scotch για να γραφίτη και ξεφλουδίζετε ", εξηγεί ο Grossman. [Αν συνεχίσετε να το κάνετε αυτό, τελικά τελειώνετε με ένα μόνο στρώμα. Το πρόβλημα είναι ότι θα χρειαζόταν για πάντα για να ξεφλουδίσετε αρκετό γραφένιο φυτό."

Μια άλλη προσέγγιση είναι να [αναπτύσσει "graphene εφαρμόζοντας υπερ-καυτά αέρια στο φύλλο χαλκού. [Η αυξανόμενη graphene παρέχει την καλύτερη ποιότητα, γι 'αυτό και η βιομηχανία ημιαγωγών ενδιαφέρεται για αυτό", λέει ο Grossman. Η διαδικασία, ωστόσο, είναι πολύ δαπανηρή και ενεργειακή ένταση.

Αντ 'αυτού, η ομάδα Grossman χρησιμοποιεί μια πολύ πιο προσιτή χημική προσέγγιση, η οποία παράγει επαρκή ποιότητα για τη δημιουργία μεμβρανών αφαλάτωσης. [Ευτυχώς, η εφαρμογή μας δεν απαιτεί την καλύτερη ποιότητα ", λέει ο Grossman. του Graphene πολύ φθηνά και γρήγορα. "

Η δημιουργία πόρων που εμποδίζουν το αλάτι, αλλά αφήστε τα μόρια νερού να περάσουν είναι μια πιο απότομη πρόκληση. Ο λόγος για τον οποίο η αφαλάτωση είναι δυνατή στην πρώτη θέση είναι ότι όταν διαχέεται στο νερό, τα ιόντα αλατιού συνδέονται με μόρια νερού, δημιουργώντας έτσι μια μεγαλύτερη οντότητα. Αλλά η διαφορά στο μέγεθος σε σύγκριση με ένα ελεύθερο μόριο νερού εξακολουθεί να είναι απογοητευτικά μικρή.

[Η πρόκληση είναι να βρεθεί το γλυκό σημείο περίπου 0,8 νανομέτρων, "λέει ο Grossman. «

Μια οπή 0,8 nm είναι [μικρότερη από ό, τι έχουμε καταφέρει ποτέ να κάνουμε με ελεγχόμενο τρόπο με οποιοδήποτε άλλο υλικό ", λέει ο Grossman. [Και πρέπει να το κάνουμε αυτό σε μια πολύ μεγάλη περιοχή πολύ σταθερά και φτηνά".

Ο όμιλος Grossman επιδιώκει τρεις τεχνικές για να κάνει νανοπορώδεις μεμβράνες γραφένιου, οι οποίες χρησιμοποιούν χημική και θερμική ενέργεια και όχι μηχανικές διεργασίες. [Αν προσπαθήσατε να χρησιμοποιήσετε τη λιθογραφία, θα χρειαστούν χρόνια ", λέει ο Grossman. [Η πρώτη μας προσέγγιση περιλαμβάνει την κατασκευή των τρύπων πολύ μεγάλες και στη συνέχεια την προσεκτική συμπλήρωση τους. Ένας άλλος προσπαθεί να τους κάνει ακριβώς το σωστό μέγεθος και το τρίτο περιλαμβάνει την εκκίνηση με ένα υλικό χωρίς τρύπες και στη συνέχεια να το χωρίσει προσεκτικά. "

Η χημική τεχνική για την κατασκευή του graphene παράγει στην πραγματικότητα οξείδιο του γραφένιου, το οποίο θεωρείται ανεπιθύμητο για τους ημιαγωγούς, αλλά είναι ωραία για φίλτρα. Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές ήταν σε θέση να αποφύγουν το δύσκολο βήμα της απομάκρυνσης του οξυγόνου από το οξείδιο του γραφένιου. Στην πραγματικότητα, βρήκαν έναν τρόπο να χρησιμοποιήσουν το οξυγόνο προς όφελός τους.

[Με τον έλεγχο του τρόπου με τον οποίο το οξυγόνο συνδέεται με το φύλλο graphene, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε χημική και θερμική ενέργεια για να τρυπήσουμε τις οπές με τη βοήθεια του οξυγόνου ", λέει ο Grossman.

Πρώτος στόχος: υφάλμυρο νερό

Καθώς ο όμιλος Grossman συνεχίζει να εργάζεται για την πρόκληση της κατασκευής και διάτρησης φύλλων γραφένιου, ο Grossman προσπαθεί να αξιοποιήσει άλλα οφέλη των φίλτρων graphene για να βοηθήσει την τεχνολογία στην αγορά.

Παρόλο που το graphene θα πρέπει να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα με το θαλασσινό νερό και το ακόμη πιο αλάτι, βρώμικο νερό που χρησιμοποιείται σε υδραυλική θραύση, πιθανότατα θα κάνει ντεμπούτο σε φυτά που καθαρίζουν υφάλμυρο νερό, όπως βρίσκονται στις εκβολές. [Αποδεικνύεται ότι η υψηλότερη διαπερατότητα ακόμη και με συντελεστή δύο ή τριών θα έκανε μεγαλύτερη διαφορά με υφάλμυρο νερό παρά με θαλασσινό νερό ", λέει ο Grossman.

Τα φίλτρα Graphene θα μπορούσαν επίσης να επιτρέψουν την κατασκευή μικρότερων, φθηνότερων φυτών. [Με το graphene έχετε περισσότερες επιλογές για το πώς χειρίζεστε το εργοστάσιο ", λέει ο Grossman. [Θα μπορούσατε να εφαρμόσετε τις ίδιες πιέσεις, αλλά να πάρετε περισσότερο νερό έξω, ή θα μπορούσατε να το χειριστείτε σε χαμηλότερες πιέσεις και να πάρετε την ίδια ποσότητα νερού, αλλά σε ένα χαμηλότερο κόστος ενέργειας. "

Ο Grossman σημειώνει ότι μπορεί να χρειαστούν χρόνια ή ακόμα και δεκαετίες για να τοποθετηθεί και να επιτρέψει σε ένα εργοστάσιο σε έντονα πυκνοκατοικημένες παράκτιες περιοχές. [Πολλές προσπάθειες πηγαίνει στο πώς πρόκειται να οικοδομήσουμε το εργοστάσιο και πού θα βρείτε αρκετή γη ", λέει ο Grossman. [Έχοντας την επιλογή να οικοδομήσουμε ένα μικρότερο εργοστάσιο θα ήταν ένα μεγάλο πλεονέκτημα".

Lina Banbury Dispersion Ζυμώνια για την ανάμειξη και την παραγωγή της Γκρέφανεσης

Η Lina New Type Banbury Dispersion Dremeader έχει σχεδιαστεί για τη Γκρέφανε, έχουμε το Τμήμα Graphene για να υποστηρίξουμε την τεχνολογία της μηχανής.