Grafeno para dessalinização

Introdução

Atualmente, ~ 1,2 bilhão de pessoas em todo o mundo estão sofrendo de uma escassez de água e suas conseqüências adversas em saúde, alimentos e energia. Por um lado, o crescimento populacional, o aumento da industrialização e as maiores necessidades energéticas e, por outro lado, a perda de derretimento da neve, o encolhimento das geleiras e assim por diante, piorará essa situação nos próximos anos. Conforme estimado pelo Conselho Mundial da Água, o número de pessoas afetadas aumentará para 3,9 bilhões nas próximas décadas.

Uma das abordagens mais promissoras para aliviar a escassez de água, a dessalinização pode aumentar o suprimento de água além do que está disponível no ciclo hidrológico. A dessalinização da água do mar fornece um suprimento infinito e constante de água de alta qualidade que não prejudica os ecossistemas naturais de água doce.

A água do mar compreende um vasto suprimento de água (97,5% de toda a água no planeta). Assim, o crescimento da instalação das instalações de dessalinização da água do mar na última década para contornar os problemas de escassez de água nos países estressados ​​com água progrediu rapidamente. Em 2016, a produção global de água por dessalinização foi estimada em 38 bilhões de metros cúbicos por ano, ou seja, duas vezes mais que a de 2008.

Até agora, a dessalinização da água do mar foi realizada principalmente por destilação flash de vários estágios e osmose reversa (RO). Principalmente nos áridos países do Golfo Pérsico, as plantas de dessalinização realizam com base no aquecimento e depois condensando a água do mar. Esse tipo de planta de dessalinização consome grandes quantidades de energia térmica e elétrica, emitindo extensivamente os gases de efeito estufa. Além desta versão não econômica e não econômica das plantas de dessalinização, o principal tipo de plantas de dessalinização construído nas últimas duas décadas, bem como as futuras planejadas, são baseadas na tecnologia de RO.

Filtros de grafeno: até 50 % menos energia

Isolado pela primeira vez em 2003, o grafeno possui diferentes propriedades elétricas, ópticas e mecânicas da grafite. [É mais forte que o aço e possui propriedades de peneiração únicas ", diz Grossman. Com apenas um átomo de espessura, há muito menos perda de atrito quando você empurra a água do mar através de um filtro de grafeno perfurado em comparação com os filtros de plástico de poliamida que foram Usado nos últimos 50 anos, ele diz.

[Mostramos que os filtros de grafeno perfurados podem lidar com as pressões da água das plantas de dessalinização, oferecendo centenas de vezes melhor permeabilidade ", explica Grossman. [O processo de bombear água do mar através de filtros representa cerca de metade dos custos operacionais de uma planta de dessalinização. Com grafeno, Poderíamos usar 15 % menos energia para a água do mar e até 50 % menos energia para água salobra ".

Outra vantagem é que os filtros de grafeno não ficam com bio-crescimento por quase a taxa que ocorre com os filtros de poliamida. As plantas de dessalinização geralmente são executadas em eficiência reduzida devido à necessidade de limpar frequentemente os filtros. Além disso, o cloro usado para limpar os filtros reduz a integridade estrutural da poliamida, exigindo substituição frequente. Em comparação, o grafeno é resistente aos efeitos prejudiciais do cloro.

Segundo Grossman, você pode facilmente substituir os filtros de poliamida por filtros de grafeno em plantas existentes. Como os filtros de poliamida, os filtros de grafeno podem ser montados em suportes robustos de polissulfona, que possuem orifícios maiores que peneiram partículas.

No entanto, os desafios significativos permanecem em reduzir os custos. O Grossman Group fez um bom progresso na criação de altos volumes de grafeno a um custo razoavelmente baixo. Um desafio mais sério, no entanto, é o cansativo de orifícios uniformes no grafeno de maneira altamente escalável.

[Uma planta típica possui dezenas de milhares de membranas, configuradas em tubos de dois metros de comprimento, cada um com 40 metros quadrados de membrana ativa rolada ", diz Grossman. [Temos que corresponder a esse volume ao mesmo custo, ou TI `SA UNSTARTER."

Fazendo grafeno barato

A maneira tradicional de fazer grafeno - desde o seu primeiro isolamento em 2003, lembre -se - é retirar -o com adesivo. [Você literalmente pega um pedaço de fita escocês para se gravar e descascar ", explica Grossman. [Se você continuar fazendo isso, acaba acabando com uma única camada. O problema é que levaria uma eternidade para retirar o grafeno suficiente para uma dessalinização plantar."

Outra abordagem é [crescer "grafeno aplicando gases super-hot ao papel alumínio de cobre. [O crescimento do grafeno fornece a melhor qualidade, e é por isso que a indústria de semicondutores está interessada nela", diz Grossman. O processo, no entanto, é muito caro e intensivo em energia.

Em vez disso, o Grossman Group está usando uma abordagem química muito mais acessível, que produz qualidade suficiente para criar membranas de dessalinização. [Felizmente, nosso aplicativo não requer a melhor qualidade ", diz Grossman. [Com a técnica química, colocamos a grafite em uma solução e aplicamos química de baixa temperatura para separar todo o pedaço de grafite em folhas. Podemos obter lotes de grafeno muito barato e rápido. "

Criar poros que bloqueiam o sal, mas deixem passar as moléculas de água, é um desafio mais acentuado. A razão pela qual a dessalinização é possível em primeiro lugar é que, quando difundido em água, os íons salgados se ligam às moléculas de água, criando assim uma entidade maior. Mas a diferença de tamanho em comparação com uma molécula de água livre ainda é frustrantemente pequena.

[O desafio é encontrar o ponto ideal de cerca de 0,8 nanômetros ", diz Grossman. "

Um buraco de 0,8 nm é [menor do que jamais conseguimos fazer de maneira controlável com qualquer outro material ", diz Grossman. [E precisamos fazer isso em uma área muito grande de maneira muito consistente e barata".

O Grossman Group está buscando três técnicas para fabricar membranas de grafeno nanoporosas, que usam energia química e térmica em vez de processos mecânicos. [Se você tentou usar a litografia, levaria anos ", diz Grossman. [Nossa primeira abordagem envolve tornar os buracos muito grandes e depois preencher cuidadosamente. com um material sem orifícios e depois rasgando -o cuidadosamente. "

A técnica química para fazer grafeno realmente produz óxido de grafeno, que é considerado indesejável para semicondutores, mas é bom para os filtros. Como resultado, os pesquisadores foram capazes de evitar a difícil etapa de remover o oxigênio do óxido de grafeno. De fato, eles encontraram uma maneira de usar o oxigênio a seu proveito.

[Ao controlar a maneira como o oxigênio é ligado à folha de grafeno, podemos usar energia química e térmica para perfurar os orifícios com a ajuda do oxigênio ", diz Grossman.

Primeiro alvo: água salobra

Enquanto o Grossman Group continua trabalhando no desafio da fabricação e perfuração de folhas de grafeno, Grossman procura alavancar outros benefícios dos filtros de grafeno para ajudar a levar a tecnologia ao mercado.

Embora o grafeno deva melhorar a eficiência com a água do mar e a água ainda mais salgada e mais suja usada em fraturamento hidráulico, provavelmente estreará em plantas que limpa água salobra, como encontradas nos estuários. [Acontece que maior permeabilidade, mesmo por um fator de dois ou três, faria uma diferença maior com a água salobra do que com a água do mar ", diz Grossman. [Você abaixa o consumo de energia em ambos os casos, mas mais ainda para a água salobra".

Os filtros de grafeno também podem permitir a construção de plantas menores e mais baratas. [Com grafeno, você tem mais opções na maneira como opera a planta ", diz Grossman. [Você pode aplicar as mesmas pressões, mas tirar mais água, ou você pode operá -la a pressões mais baixas e obter a mesma quantidade de água, mas em um menor custo de energia ".

Grossman observa que pode levar anos ou até décadas para o local e permitir uma planta em áreas costeiras fortemente povoadas. [Muito esforço se aproxima de como você vai construir a planta e onde encontrará terras suficientes ", diz Grossman. [Ter a opção de construir uma planta menor seria uma grande vantagem".

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