Undersøgelse viser afsaltning med nanoporøs grafenmembran

Mindre end 1 procent af Jordens vand kan drikkes. At fjerne salt og andre mineraler fra vores største tilgængelige vandkilde – havvand – kan hjælpe med at tilfredsstille en voksende global befolkning, der tørster efter ferskvand til at drikke, landbrug, transport, opvarmning, køling og industri. Men afsaltning er en energikrævende proces, som vedrører dem, der ønsker at udvide dens anvendelse.

Nu, et team af eksperimentalister ledet af Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har demonstreret en energieffektiv afsaltningsteknologi, der bruger en porøs membran lavet af stærke, slank grafen - en carbon honeycomb på et atom tyk. Resultaterne er offentliggjort i online-udgaven af ​​23. marts Natur nanoteknologi .

"Vores arbejde er et bevis på princippet, der demonstrerer, hvordan man kan afsalte saltvand ved at bruge fritstående, porøs grafen, " sagde Shannon Mark Mahurin fra ORNL's Chemical Sciences Division, som ledte undersøgelsen sammen med Ivan Vlassiouk i ORNL's Energy and Transportation Science Division.

"Det er et kæmpe fremskridt, " sagde Vlassiouk, påpeger, at et væld af vand rejser gennem den porøse grafenmembran. "Fluxen gennem de nuværende grafenmembraner var i det mindste en størrelsesorden højere end [den gennem] state-of-the-art polymere membraner med omvendt osmose."

Nuværende metoder til rensning af vand omfatter destillation og omvendt osmose. Destillation, eller opvarmning af en blanding for at udvinde flygtige komponenter, der kondenserer, kræver en betydelig mængde energi. Omvendt osmose, en mere energieffektiv proces, der ikke desto mindre kræver en rimelig mængde energi, er grundlaget for ORNL-teknologien.

At lave porer i grafen er nøglen. Uden disse huller, vand kan ikke bevæge sig fra den ene side af membranen til den anden. Vandmolekylerne er simpelthen for store til at passe gennem grafens fine mesh. Men prik huller i masken, der har den helt rigtige størrelse, og vandmolekyler kan trænge ind. Salt ioner, i modsætning, er større end vandmolekyler og kan ikke krydse membranen. Den porøse membran muliggør osmose, eller passage af en væske gennem en semipermeabel membran til en opløsning, hvori opløsningsmidlet er mere koncentreret. "Hvis du har saltvand på den ene side af en porøs membran og ferskvand på den anden, et osmotisk tryk har en tendens til at bringe vandet tilbage til saltvandssiden. Men hvis du overvinder det, og du vender det om, og du skubber vandet fra saltvandssiden til ferskvandssiden - det er den omvendte osmoseproces, " forklarede Mahurin.

I dag er omvendt osmosefiltre typisk polymerer. Et filter er tyndt og ligger på en støtte. Det kræver et betydeligt tryk at skubbe vand fra saltvandssiden til ferskvandssiden. "Hvis du kan gøre membranen mere porøs og tyndere, du kan øge fluxen gennem membranen og reducere trykkravene, inden for grænser, " sagde Mahurin. "Det hele tjener til at reducere mængden af ​​energi, der skal til for at drive processen."

Grafen til undsætning Grafen er kun et atom tykt, men alligevel fleksibel og stærk. Dens mekaniske og kemiske stabilitet gør den lovende i membraner til separationer. En porøs grafenmembran kunne være mere permeabel end en polymermembran, så separeret vand ville køre hurtigere gennem membranen under de samme forhold, ræsonnerede forskerne. "Hvis vi kan bruge dette enkelt lag af grafen, vi kunne derefter øge fluxen og reducere membranarealet for at opnå den samme oprensningsproces, " sagde Mahurin.

For at lave grafen til membranen, forskerne flød metan gennem en rørovn ved 1, 000 grader C over en kobberfolie, der katalyserede dens nedbrydning til kulstof og brint. Den kemiske damp aflejrede kulstofatomer, der selv samlede sig i tilstødende sekskanter for at danne et ark med et atomtykkelse.

Forskerne overførte grafenmembranen til en siliciumnitridunderstøtning med et hul i mikrometerstørrelse. Derefter udsatte holdet grafenet for et iltplasma, der slog kulstofatomer ud af grafenens nanoskala kyllingetrådsgitter for at skabe porer. Jo længere grafenmembranen var udsat for plasmaet, jo større porer dannes, og jo mere lavet.

Den forberedte membran adskilte to vandopløsninger - saltvand på den ene side, frisk på den anden. Siliciumnitrid-chippen holdt grafenmembranen på plads, mens vand strømmede gennem den fra det ene kammer til det andet. Membranen tillod hurtig transport af vand gennem membranen og afviste næsten 100 procent af saltionerne, f.eks., positivt ladede natriumatomer og negativt ladede chloridatomer.

For at finde ud af den bedste porestørrelse til afsaltning, forskerne stolede på Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), en DOE Office of Science User Facility på ORNL. der, aberrationskorrigeret scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) billeddannelse, ledet af Raymond Unocic, tilladt for atom-opløsning billeddannelse af grafen, som forskerne brugte til at korrelere grafenmembranens porøsitet med transportegenskaber. De bestemte, at den optimale porestørrelse for effektiv afsaltning var 0,5 til 1 nanometer, sagde Mahurin.

De fandt også, at den optimale tæthed af porer til afsaltning var én pore for hver 100 kvadratnanometer. "Jo flere porer du får, des bedre, op til et punkt, indtil du begynder at forringe enhver mekanisk stabilitet, " sagde Mahurin.

Vlassiouk sagde, at det er levedygtigt i industriel skala at fremstille de porøse grafenmembraner, der blev brugt i eksperimentet, og andre metoder til fremstilling af porerne kan udforskes. "Forskellige tilgange er blevet prøvet, inklusive bestråling med elektroner og ioner, men ingen af ​​dem virkede. Indtil nu, oxygenplasma-tilgangen fungerede bedst, " tilføjede han. Han bekymrer sig mere om gremlins, der plager nutidens omvendt osmose-membraner - vækster på membranoverflader, der tilstopper dem (kaldet "biofouling") og sikrer den mekaniske stabilitet af en membran under tryk.