Brug af grafen til at filtrere vand

Jeg voksede op i Kina i 1980'erne, Baoxia Mi erkendte, at vand ikke var noget at tage for givet.

"Da mine forældre var unge, der var mange floder og små søer i området. Men da jeg var barn, de fleste af de små søer var tørre, "sagde civil- og miljøteknikprofessoren under en nylig pause i Davis Hall, hvor hun opretter sit nye laboratorium. "Jeg følte, at miljøet konstant forværredes med tiden, da jeg voksede op."

Denne oplevelse vakte Mis interesse for vand og miljø - en rejse, der har ført hende fra den lille by Zhengding i det nordøstlige Hebei -provins til - senest - Berkeleys campus, hvor hun er banebrydende inden for forskning på nye måder at rense vand og spildevand på.

Mi, der sluttede sig til college fakultetet sidste sommer, udvikler en ny type membran, der kan overgå dagens vandfiltreringsteknologi og forbruge mindre energi i processen. Hendes design er konstrueret af grafenoxid, et kulstofbaseret materiale, der er fremstillet af naturligt forekommende grafit, det samme materiale findes i blyanter.

Grafen eller grafenoxid er ofte kendt af forskere som særligt løfte om brug i en række miljørelaterede applikationer, herunder energilagring, brintbrændstofproduktion og fjernelse af luftforurening. Lavet af et tyndt lag kulstof, materialet er let, men stærkt, og kan lede varme og elektricitet meget godt. Det er også rigeligt og billigt.

Mi siger, at membraner fremstillet af grafen eller grafenoxid mere effektivt kan fjerne forurening af spildevand - herunder lægemidler, patogener og hormonforstyrrende stoffer - end de nuværende metoder og kan anvendes til genbrug af spildevand, afsaltning af vand og rensning af stormvand.

I fortiden, forskere forsøgte at lave afsaltningsmembraner ved hjælp af grafitoxid. Men de angreb mislykkedes, Mi siger, på grund af materialets struktur og størrelse. "Grafitoxid er en stor partikel, der indeholder mange lag kulstof, så den resulterende membran er tyk, med en meget lav vandfiltreringshastighed. "siger hun.

I modsætning, grafen og grafenoxid er todimensionale materialer, og 2-D-strukturen gør det muligt for forskere at stable ark af grafenoxid sammen for at lave meget tynde membraner. Vand kan strømme ekstremt hurtigt mellem stablede ark af grafen, Mi tilføjer, fordi der er lidt friktion fra dens struktur. Tilsætning af ilt til grafen gør det til grafenoxid og åbner mere plads i strukturen for vand til at strømme igennem, hun siger.

Det mangeårige problem med grafenoxidmembraner har været, at tilsætning af ilt gør grafen mere tilbøjelig til at opløses i vand.

Men da Mi var i stand til at klæbe et kemikalie til arkene af grafenoxid for at "lime" dem sammen, membranen forblev intakt i vand. Resultaterne af dette gennembrud blev offentliggjort i et akademisk tidsskrift fra 2013.

Udviklingen af ​​en ny applikation for grafenoxid er en kulmination på Mi's næsten ensidige fokus på, hvordan vandfiltrerende membraner fungerer-en søgen, der startede for mere end 15 år siden i løbet af hendes sidste år på college ved Tianjin University. I løbet af det år, hun blev udsat for membranfiltreringssystemer for første gang, mens hun udførte laboratorieforskning med en professor.

Som doktorand ved University of Illinois-Urbana Champaign, hun afsluttede sin studiekarriere med en afhandling om brug af membraner til fjernelse af arsen. Derefter, efter en post-doc på Yale (hvor hun fokuserede på fremadrettet osmose) og indtog en fakultetstilling ved George Washington University, hun ankom til University of Maryland, hvor hun først startede sin forskning om grafenoxid.

Mi - der underviste på et kursus i Berkeley sidste semester om ny teknologi til bæredygtighed i vand - fik patent på membranerne i 2015. Og selvom virksomheder har udtrykt interesse for kommercialisering af teknologien, hun siger, at det først skal testes i større skala.

Stadig, Mi siger, at hun mener, at membranen ville være meget attraktiv for regering og industri, især midt i Californiens mangeårige tørke. Det er fordi deres evne til at være mere energieffektive og billigere gør dem potentielt nyttige i afsaltning af havvand-en fremgangsmåde, der er blevet rejst som en potentiel løsning til at øge statens vandforsyning, alligevel betragtes i dag som stort set umuligt på grund af de høje omkostninger og energiintensive behov i afsaltningsanlæg.

Mi tilføjer, at der er en anden praktisk fordel ved at bruge grafenoxidmembraner:Fordi de fungerer med en fysisk separationsproces, de kan skaleres op til store renseanlæg eller ned til husstandsniveau, tilsluttet en hane.

"Det er meget fleksibelt, kompakt og lav vedligeholdelse, "siger hun." Vi arbejder virkelig hårdt lige nu for at få dem til at arbejde for afsaltning. "