美國(guó)紙漿和造紙工業(yè)使用大量水從樹(shù)木中生產(chǎn)纖維素紙漿。離開(kāi)制漿過(guò)程的水含有許多有機(jī)副產(chǎn)品和無(wú)機(jī)化學(xué)品。為了重復(fù)使用水和化學(xué)品，造紙廠依靠蒸汽蒸發(fā)器將水煮沸并將其與化學(xué)品分離。

蒸發(fā)器的水分離是有效的，但會(huì)消耗大量能量。鑒于美國(guó)目前是世界第二大紙和紙板生產(chǎn)國(guó)，這一點(diǎn)意義重大。據(jù)估計(jì)，該國(guó)大約 100 家造紙廠每年使用約 0.2 quads(quad 是 1000 億英熱單位)的能源用于水回收，使其成為能耗最高的化學(xué)工藝之一。根據(jù)勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)，2019 年美國(guó)的所有工業(yè)能源消耗總量為 26.4 quads。

另一種選擇是部署節(jié)能過(guò)濾膜來(lái)回收制漿廢水。但是傳統(tǒng)的聚合物膜——在過(guò)去幾十年里已經(jīng)上市——無(wú)法承受在制漿廢水和許多其他工業(yè)應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)的惡劣條件和高化學(xué)濃度下的操作。

佐治亞理工學(xué)院的研究人員找到了一種方法來(lái)設(shè)計(jì)由氧化石墨烯 (GO) 制成的膜，氧化石墨烯是一種基于碳的耐化學(xué)性材料，因此它們可以在工業(yè)應(yīng)用中有效工作。

“GO 具有顯著的特性，使水通過(guò)它的速度比通過(guò)傳統(tǒng)膜快得多，”教授、西蒙斯學(xué)院研究員、佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物分子工程學(xué)院工業(yè)外展副主任桑卡爾·奈爾 (Sankar Nair) 說(shuō)。“但一個(gè)長(zhǎng)期存在的問(wèn)題是如何使 GO 膜在具有高化學(xué)濃度的現(xiàn)實(shí)條件下工作，以便它們具有工業(yè)相關(guān)性。”

使用新的制造技術(shù)，研究人員可以控制 GO 膜的微觀結(jié)構(gòu)，使它們即使在更高的化學(xué)濃度下也能繼續(xù)有效地過(guò)濾水。

這項(xiàng)研究得到了美國(guó)能源部 RAPID 研究所、林產(chǎn)品公司工業(yè)聯(lián)盟和佐治亞理工學(xué)院可再生生物產(chǎn)品研究所的支持，最近發(fā)表在《自然可持續(xù)性》雜志上。許多在生產(chǎn)過(guò)程中使用大量水的行業(yè)可能會(huì)從使用這些 GO 納濾膜中受益。

Nair、他的同事 Meisha Shofner 和 Scott Sinquefield 以及他們的研究團(tuán)隊(duì)在五年前開(kāi)始了這項(xiàng)工作。他們知道 GO 膜長(zhǎng)期以來(lái)因其在海水淡化方面的巨大潛力而??得到認(rèn)可，但僅限于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。“沒(méi)有人可靠地證明這些膜可以在現(xiàn)實(shí)的工業(yè)水流和操作條件下運(yùn)行，”奈爾說(shuō)。“需要新型 GO 結(jié)構(gòu)，在保持與 GO 材料相關(guān)的優(yōu)異化學(xué)穩(wěn)定性的同時(shí)，顯示出高過(guò)濾性能和機(jī)械穩(wěn)定性。”

為了創(chuàng)造這樣的新結(jié)構(gòu)，該團(tuán)隊(duì)構(gòu)思了將大型芳香染料分子夾在 GO 片之間的想法。研究人員王中振、陳馬和徐春艷發(fā)現(xiàn)，這些分子以多種方式與 GO 片緊密結(jié)合，包括將一個(gè)分子堆疊在另一個(gè)分子上。結(jié)果是在 GO 片之間創(chuàng)建了“畫(huà)廊”空間，染料分子充當(dāng)“支柱”。水分子很容易通過(guò)柱子之間的狹窄空間過(guò)濾，而水中存在的化學(xué)物質(zhì)根據(jù)其大小和形狀被選擇性地阻擋。研究人員可以垂直和橫向調(diào)整膜微結(jié)構(gòu)，使他們能夠控制畫(huà)廊的高度和支柱之間的空間量。

然后，該團(tuán)隊(duì)用含有溶解化學(xué)物質(zhì)的多股水流測(cè)試了 GO 納濾膜，并展示了該膜即使在高濃度下也能根據(jù)尺寸和形狀阻止化學(xué)物質(zhì)。最終，他們將新的 GO 膜按比例放大到長(zhǎng)達(dá) 4 英尺的片材，并在來(lái)自造紙廠的實(shí)際進(jìn)料流中展示了它們的運(yùn)行時(shí)間超過(guò) 750 小時(shí)。

Nair 對(duì) GO膜納濾在造紙廠能源使用方面節(jié)省成本的潛力表示興奮，這可以提高行業(yè)的可持續(xù)性。“這些膜可以為造紙業(yè)節(jié)省 30% 以上的水分離能源成本，”他說(shuō)。

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