Bornitrid-coating er nøgleingrediens i hypersaline-afsaltningsteknologi

En tynd belægning af 2-D nanomaterialet hexagonal bornitrid er nøgleingrediensen i en omkostningseffektiv teknologi udviklet af Rice Universitys ingeniører til afsaltning af saltlage med industriel styrke.

Mere end 1,8 milliarder mennesker bor i lande, hvor der er knaphed på ferskvand. I mange tørre områder, havvand eller salt grundvand er rigeligt, men dyrt at afsalte. Ud over, mange industrier betaler høje bortskaffelsesomkostninger for spildevand med høje saltkoncentrationer, som ikke kan behandles med konventionelle teknologier. Omvendt osmose, den mest almindelige afsaltningsteknologi, kræver større og større tryk, efterhånden som saltindholdet i vand stiger og kan ikke bruges til at behandle vand, der er ekstremt salt, eller hypersaline.

Hypersaltholdigt vand, som kan indeholde 10 gange mere salt end havvand, er en stadig vigtigere udfordring for mange brancher. Nogle olie- og gasbrønde producerer det i store mængder, for eksempel, og det er et biprodukt af mange afsaltningsteknologier, der producerer både ferskvand og koncentreret saltlage. Øget vandbevidsthed på tværs af alle industrier er også en drivkraft, sagde Rice's Qilin Li, co-korresponderende forfatter til en undersøgelse om Rice's afsaltningsteknologi offentliggjort i Natur nanoteknologi .

"Det er ikke kun olieindustrien, " sagde Li, meddirektør for det risbaserede Nanotechnology Enabled Water Treatment Center (NEWT). "Industrielle processer, generelt, producere salt spildevand, fordi tendensen er at genbruge vand. Mange industrier forsøger at have 'lukket kredsløb' vandsystemer. Hver gang du genvinder ferskvand, saltet i det bliver mere koncentreret. Til sidst bliver spildevandet hypersalt, og du skal enten afsalte det eller betale for at bortskaffe det."

Konventionel teknologi til afsaltning af hypersaltvand har høje kapitalomkostninger og kræver omfattende infrastruktur. NYT, et National Science Foundation (NSF) Engineering Research Center (ERC) med hovedkvarter på Rice's Brown School of Engineering, bruger de seneste fremskridt inden for nanoteknologi og materialevidenskab til at skabe decentrale, egnede teknologier til mere effektiv behandling af drikkevand og industrispildevand.

En af NEWTs teknologier er et off-grid afsaltningssystem, der bruger solenergi og en proces kaldet membrandestillation. Når saltvandet flydes hen over den ene side af en porøs membran, det varmes op ved membranoverfladen af ​​en fototermisk belægning, der absorberer sollys og genererer varme. Når koldt ferskvand strømmer hen over den anden side af membranen, forskellen i temperatur skaber en trykgradient, der driver vanddamp gennem membranen fra den varme til den kolde side, efterlader salte og andre ikke-flygtige forurenende stoffer.

En stor forskel i temperatur på hver side af membranen er nøglen til membranafsaltningseffektiviteten. I NEWTs solcelledrevne version af teknologien, lysaktiverede nanopartikler knyttet til membranen fanger al den nødvendige energi fra solen, resulterer i høj energieffektivitet. Li arbejder sammen med en NEWT industriel partner for at udvikle en version af teknologien, der kan implementeres til humanitære formål. Men ukoncentreret solenergi alene er ikke tilstrækkeligt til højhastigheds afsaltning af saltlage, hun sagde.

"Energiintensiteten er begrænset med omgivende solenergi, " sagde Li, professor i civil- og miljøteknik. "Energitilførslen er kun en kilowatt pr. kvadratmeter, og produktionshastigheden af ​​vand er langsom for store systemer."

Tilførsel af varme til membranoverfladen kan producere eksponentielle forbedringer i mængden af ​​ferskvand, som hver kvadratfod membran kan producere hvert minut, et mål kendt som flux. Men saltvand er stærkt ætsende, og det bliver mere ætsende ved opvarmning. Traditionelle metalliske varmeelementer bliver hurtigt ødelagt, og mange ikke-metalliske alternativer klarer sig lidt bedre eller har utilstrækkelig ledningsevne.

"Vi ledte virkelig efter et materiale, der ville være stærkt elektrisk ledende og også understøtte stor strømtæthed uden at blive korroderet i dette meget saltholdige vand, " sagde Li.

Løsningen kom fra undersøgelsens medforfattere Jun Lou og Pulickel Ajayan i Rice's Department of Materials Science and NanoEngineering (MSNE). Lou, Ajayan og NEWT postdoc-forskere og studielederforfattere Kuichang Zuo og Weipeng Wang, og studiemedforfatter og kandidatstuderende Shuai Jia udviklede en proces til belægning af et fint rustfrit stålnet med en tynd film af sekskantet bornitrid (hBN).

Bornitrids kombination af kemisk resistens og termisk ledningsevne har gjort dens keramiske form til et værdsat aktiv i højtemperaturudstyr, men hBN, den atomtykke 2D-form af materialet, dyrkes typisk på flade overflader.

"Det er første gang, denne smukke hBN-belægning er blevet dyrket på en uregelmæssig, porøs overflade, " sagde Li. "Det er en udfordring, fordi hvor som helst du har en defekt i hBN-belægningen, du vil begynde at have korrosion."

Jia og Wang brugte en modificeret kemisk dampaflejringsteknik (CVD) til at dyrke snesevis af lag af hBN på en ubehandlet, kommercielt tilgængeligt rustfrit stålnet. Teknikken udvidede tidligere risforskning i væksten af ​​2-D materialer på buede overflader, som blev støttet af Center for Atomically Thin Multifunctional Coatings, eller ATOMISK. ATOMIC Center er også vært hos Rice og støttet af NSF's Industry/University Cooperative Research Program.

Forskerne viste, at trådnetbelægningen, som kun var omkring en 10 milliontedel af en meter tyk, var tilstrækkeligt til at omslutte de sammenvævede ledninger og beskytte dem mod de ætsende kræfter fra hypersaltvand. Det belagte trådnetvarmeelement blev fastgjort til en kommercielt tilgængelig polyvinylidendifluoridmembran, der blev rullet ind i et spiralviklet modul, en pladsbesparende form, der bruges i mange kommercielle filtre.

I test, forskere drev varmeelementet med spænding ved en husstandsfrekvens på 50 hertz og effekttætheder så høje som 50 kilowatt pr. kvadratmeter. Ved maksimal effekt, systemet producerede en flux på mere end 42 kg vand pr. kvadratmeter membran i timen - mere end 10 gange større end omgivende solmembrandestillationsteknologier - med en energieffektivitet, der er meget højere end eksisterende membrandestillationsteknologier.

Li sagde, at holdet leder efter en industripartner til at opskalere CVD-belægningsprocessen og producere en større prototype til felttest i lille skala.

"Vi er klar til at forfølge nogle kommercielle applikationer, " sagde hun. "Opskalering fra laboratorie-skala-processen til et stort 2-D CVD-ark vil kræve ekstern støtte."