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氧化石墨烯膜可以降低造纸工业的能源成本

美国纸浆和造纸工业使用大量水从树木中生产纤维素纸浆。离开制浆过程的水含有许多有机副产品和无机化学品。为了重复使用水和化学品,造纸厂依靠蒸汽蒸发器将水煮沸并将其与化学品分离。

蒸发器的水分离是有效的,但会消耗大量能量。鉴于美国目前是世界第二大纸和纸板生产国,这一点意义重大。据估计,该国大约 100 家造纸厂每年使用约 0.2 quads(quad 是 1000 亿英热单位)的能源用于水回收,使其成为能耗最高的化学工艺之一。根据劳伦斯利弗莫尔国家实验室的数据,2019 年美国的所有工业能源消耗总量为 26.4 quads。

另一种选择是部署节能过滤膜来回收制浆废水。但是传统的聚合物膜——在过去几十年里已经上市——无法承受在制浆废水和许多其他工业应用中发现的恶劣条件和高化学浓度下的操作。

佐治亚理工学院的研究人员找到了一种方法来设计由氧化石墨烯 (GO) 制成的膜,氧化石墨烯是一种基于碳的耐化学性材料,因此它们可以在工业应用中有效工作。

“GO 具有显着的特性,使水通过它的速度比通过传统膜快得多,”教授、西蒙斯学院研究员、佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院工业外展副主任桑卡尔·奈尔 (Sankar Nair) 说。“但一个长期存在的问题是如何使 GO 膜在具有高化学浓度的现实条件下工作,以便它们具有工业相关性。”

使用新的制造技术,研究人员可以控制 GO 膜的微观结构,使它们即使在更高的化学浓度下也能继续有效地过滤水。

这项研究得到了美国能源部 RAPID 研究所、林产品公司工业联盟和佐治亚理工学院可再生生物产品研究所的支持,最近发表在《自然可持续性》杂志上。许多在生产过程中使用大量水的行业可能会从使用这些 GO 纳滤膜中受益。

Nair、他的同事 Meisha Shofner 和 Scott Sinquefield 以及他们的研究团队在五年前开始了这项工作。他们知道 GO 膜长期以来因其在海水淡化方面的巨大潜力而​​得到认可,但仅限于实验室环境。“没有人可靠地证明这些膜可以在现实的工业水流和操作条件下运行,”奈尔说。“需要新型 GO 结构,在保持与 GO 材料相关的优异化学稳定性的同时,显示出高过滤性能和机械稳定性。”

为了创造这样的新结构,该团队构思了将大型芳香染料分子夹在 GO 片之间的想法。研究人员王中振、陈马和徐春艳发现,这些分子以多种方式与 GO 片紧密结合,包括将一个分子堆叠在另一个分子上。结果是在 GO 片之间创建了“画廊”空间,染料分子充当“支柱”。水分子很容易通过柱子之间的狭窄空间过滤,而水中存在的化学物质根据其大小和形状被选择性地阻挡。研究人员可以垂直和横向调整膜微结构,使他们能够控制画廊的高度和支柱之间的空间量。

然后,该团队用含有溶解化学物质的多股水流测试了 GO 纳滤膜,并展示了该膜即使在高浓度下也能根据尺寸和形状阻止化学物质。最终,他们将新的 GO 膜按比例放大到长达 4 英尺的片材,并在来自造纸厂的实际进料流中展示了它们的运行时间超过 750 小时。

Nair 对 GO膜纳滤在造纸厂能源使用方面节省成本的潜力表示兴奋,这可以提高行业的可持续性。“这些膜可以为造纸业节省 30% 以上的水分离能源成本,”他说。

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