Forskeren anvender ny materialeforskning for at gøre afsaltning billigere og mere effektiv

Med den intensiverende tørke i Californien, staten har fremskyndet opførelsen af ​​afsaltningsanlæg. På grund af høje bygge- og driftsomkostninger, såvel som miljøhensyn, vi vil sandsynligvis ikke se genvundet havvand repræsentere mere end en lille brøkdel af Amerikas rene vandreserver i nogen tid fremover. Bortset fra andre omkostninger, de enorme mængder energi, der kræves for at lave rent vand fra havvand, gør fortsat afsaltning til en nicheløsning i de fleste dele af verden.

Da Jeffrey Grossman, professor ved MIT's Institut for Materialevidenskab og Teknik (DMSE), begyndte at undersøge, om nye materialer kunne reducere omkostningerne ved afsaltning, han blev overrasket over at finde ud af, hvor lidt forsknings- og udviklingspenge der blev brugt på problemet.

"En milliard mennesker rundt om i verden mangler regelmæssig adgang til rent vand, og det forventes at blive mere end fordoblet i de næste 25 år, "Grossman siger." Afsaltet vand koster fem til ti gange mere end almindeligt kommunalt vand, men vi investerer ikke nær nok penge i forskning. Hvis vi ikke har ren energi, har vi alvorlige problemer, men hvis vi ikke har vand, dør vi. "

Hos Grossman Group, som undersøger udviklingen af ​​nye materialer til at løse problemer med ren energi og vand, en mulig løsning kan være ved hånden. Grossmans laboratorium har vist stærke resultater, der viser, at nye filtre fremstillet af grafen i høj grad kan forbedre energieffektiviteten ved afsaltningsanlæg og samtidig muligvis reducere andre omkostninger.

Graphene, som skyldes at et atom-tykt lag af grafit skæres af, fremstår i stigende grad som noget af et undermateriale. Grossman -gruppen, for eksempel, ser også på at bruge det som et billigere alternativ til silicium til fremstilling af solceller.

"Det har aldrig været en mere spændende tid at være materialeforsker, "siger Grossman." Når man ser på ren teknologi eller vandfiltrering, du opdager, at energiomdannelsesflaskehalsen stammer fra materialet. Vi kan nu designe materialer stort set helt ned til atomets skala på næsten enhver måde vi ønsker, skræddersy materialer på måder, der tidligere var umulige. Der opstår en konvergens, hvor vi står over for enormt presserende problemer, som kun kan løses ved at udvikle nye materialer. "

Grafenfiltre:Op til 50 procent mindre energi

Først isoleret i 2003, grafen har forskellige elektriske, optisk, og mekaniske egenskaber end grafit. "Det er stærkere end stål, og den har unikke sigtegenskaber, "Siger Grossman. Ved kun et atom tykt, der er langt mindre friktionstab, når du skubber havvand gennem et perforeret grafenfilter sammenlignet med polyamidplastfiltrene, der har været brugt i de sidste 50 år, han siger.

"Vi har vist, at perforerede grafenfiltre kan håndtere vandtrykket i afsaltningsanlæg og samtidig tilbyde hundredvis af gange bedre permeabilitet, "Grossman forklarer." Processen med at pumpe havvand gennem filtre repræsenterer omkring halvdelen af ​​driftsomkostningerne ved et afsaltningsanlæg. Med grafen, vi kunne bruge op til 50 procent mindre energi. "

En anden fordel er, at grafenfiltre ikke bliver forurenet med biovækst med næsten den hastighed, der opstår med polyamidfiltre. Afsaltningsanlæg kører ofte med reduceret effektivitet på grund af behovet for ofte at rengøre filtrene. Ud over, kloren, der bruges til at rense filtrene, reducerer polyamidets strukturelle integritet, kræver hyppig udskiftning. Til sammenligning, grafen er resistent over for de skadelige virkninger af klor.

Ifølge Grossman, du kan let udskifte polyamidfiltre med grafenfiltre i eksisterende anlæg. Ligesom polyamidfiltre, grafenfiltre kan monteres på robuste polysulfonunderstøtter, som har større huller, der sigter partikler ud.

Endnu, der er fortsat betydelige udfordringer ved at sænke omkostningerne. Grossman -gruppen har gjort gode fremskridt med at skabe store mængder grafen til en rimelig lav pris. En mere alvorlig udfordring, imidlertid, er omkostningseffektivt at stikke ensartede huller i grafen på en meget skalerbar måde.

"En typisk plante har titusinder af membraner, konfigureret i to meter lange rør, der hver har 40 kvadratmeter sammenrullet aktiv membran, "Grossman siger." Vi skal matche denne mængde til samme pris, eller det er en nonstarter. "

At lave grafen til den billige

Den traditionelle måde at lave grafen - siden den første isolation i 2003, husk dig - er at skrælle det af med klæbemiddel. "Du tager bogstaveligt talt et stykke Scotch Tape til grafit, og du skræller, "Grossman forklarer." Hvis du bliver ved med at gøre dette, du ender til sidst med et enkelt lag. Problemet er, at det ville tage evigt at fjerne nok grafen til et afsaltningsanlæg. "

En anden tilgang er at "dyrke" grafen ved at påføre super-varme gasser på kobberfolie. "Dyrkning af grafen giver den bedste kvalitet, derfor er halvlederindustrien interesseret i det, "Siger Grossman. Processen, imidlertid, er meget dyrt og energikrævende.

I stedet, Grossman -gruppen bruger en meget mere overkommelig kemisk tilgang, som producerer tilstrækkelig kvalitet til at skabe afsaltningsmembraner. "Heldigvis, vores applikation kræver ikke den bedste kvalitet, "siger Grossman." Med den kemiske teknik, vi lægger grafit i en løsning, og anvende kemi ved lav temperatur for at skille hele klumpen af ​​grafit i stykker. Vi kan få masser af grafen meget billigt og hurtigt. "

At skabe porer, der blokerer salt, men lader vandmolekyler passere, er en stejlere udfordring. Grunden til at afsaltning er mulig i første omgang er, at når den diffunderes i vand, saltioner binder sig til vandmolekyler, og derved skabe en større enhed. Men forskellen i størrelse i forhold til et frit vandmolekyle er stadig frustrerende lille.

"Udfordringen er at finde det søde sted på cirka 0,8 nanometer, "Grossman siger." Hvis dine porer er ved 1,5 nm, så vil både vandet og saltet passere igennem. Hvis de er et halvt nanometer, så kommer der ikke noget igennem. "

Et hul på 0,8 nm er "mindre, end vi nogensinde har været i stand til at lave på en kontrollerbar måde med noget andet materiale, "Grossman siger." Og vi skal gøre dette over et meget stort område meget konsekvent og billigt. "

Grossman -gruppen forfølger tre teknikker til fremstilling af nanoporøse grafenmembraner, som alle bruger kemisk og termisk energi frem for mekaniske processer. "Hvis du forsøgte at bruge litografi, det ville tage år, "Grossman siger." Vores første tilgang indebærer at gøre hullerne for store, og derefter forsigtigt udfylde dem. En anden forsøger at gøre dem nøjagtig den rigtige størrelse, og den tredje går ud på at starte med et materiale uden huller og derefter forsigtigt rive det fra hinanden. "

Den kemiske teknik til fremstilling af grafen producerer faktisk grafenoxid, som anses for uønsket for halvledere, men er fint til filtre. Som resultat, forskerne var i stand til at undgå det vanskelige trin med at fjerne ilt fra grafenoxidet. Faktisk, de fandt en måde at bruge ilt til deres fordel.

"Ved at kontrollere den måde, hvorpå ilt bindes til grafenarket, vi kan bruge kemisk og termisk energi til at bore hullerne ved hjælp af ilt, "Siger Grossman.

Første mål:Brakholdigt vand

Da Grossman -gruppen fortsat arbejder på udfordringen med at fremstille og perforere grafenplader, Grossman ønsker at udnytte andre fordele ved grafenfiltre for at hjælpe med at bringe teknologien på markedet.

Selvom grafen skulle forbedre effektiviteten med havvand og det endnu saltere, snavset vand, der bruges til hydraulisk brud, det vil sandsynligvis debutere i planter, der renser brakvand, som findes i flodmundinger. "Det viser sig, at højere permeabilitet, selv med en faktor to eller tre, ville gøre en større forskel med brakvand end med havvand, "Grossman siger." Du sænker energiforbruget i begge tilfælde, men mere for brakvand. "

Grafenfiltre kan også muliggøre konstruktion af mindre, billigere planter. "Med grafen har du flere valgmuligheder i, hvordan du driver anlægget, "Grossman siger." Du kan anvende det samme tryk, men få mere vand ud, eller du kan betjene det ved lavere tryk og få den samme mængde vand, men til en lavere energiomkostning. "

Grossman bemærker, at det kan tage år eller endda årtier at lokalisere og tillade et anlæg i stærkt befolkede kystområder. "En stor indsats går ud på, hvordan du skal bygge anlægget, og hvor du skal finde nok jord, "Grossman siger." At have mulighed for at bygge et mindre anlæg ville være en stor fordel. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.