美國紙漿和造紙工業(yè)使用大量水從樹木中生產(chǎn)纖維素紙漿。離開制漿過程的水含有許多有機(jī)副產(chǎn)品和無機(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，但會消耗大量能量。鑒于美國目前是世界第二大紙和紙板生產(chǎn)國，這一點意義重大。據(jù)估計，該國大約 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)勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的數(shù)據(jù)，2019 年美國的所有工業(yè)能源消耗總量為 26.4 quads。

另一種選擇是部署節(jié)能過濾膜來回收制漿廢水。但是傳統(tǒng)的聚合物膜——在過去幾十年里已經(jīng)上市——無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設(shè)計由氧化石墨烯 (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，使水通過它的速度比通過傳統(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。“但一個長期存在的問題是如何使 GO 膜在具有高化學(xué)濃度的現(xiàn)實條件下工作，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)有效地過濾水。

這項研究得到了美國能源部 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)過程中使用大量水的行業(yè)可能會從使用這些 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)隊在五年前開始了這項工作。他們知道 GO 膜長期以來因其在海水淡化方面的巨大潛力而??得到認(rèn)可，但僅限于實驗室環(huán)境。“沒有人可靠地證明這些膜可以在現(xiàn)實的工業(yè)水流和操作條件下運行，”奈爾說。“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，顯示出高過濾性能和機(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，包括將一個分子堆疊在另一個分子上。結(jié)果是在 GO 片之間創(chuàng)建了“畫廊”空間，染料分子充當(dāng)“支柱”。水分子很容易通過柱子之間的狹窄空間過濾，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)，使他們能夠控制畫廊的高度和支柱之間的空間量。

然后，該團(tuán)隊用含有溶解化學(xué)物質(zhì)的多股水流測試了 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 膜按比例放大到長達(dá) 4 英尺的片材，并在來自造紙廠的實際進(jìn)料流中展示了它們的運行時間超過 750 小時。

Nair 對 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。

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