Grafeno para la desalinización

Introducción

Actualmente, ~ 1.200 millones de personas en todo el mundo sufren una escasez de agua y sus consecuencias adversas en salud, alimentos y energía. Por un lado, el crecimiento de la población, el aumento de la industrialización y las mayores necesidades energéticas y, por otro lado, la pérdida del deshielo, la contracción de los glaciares, etc., empeorará esta situación en los próximos años. Según lo estimado por el Consejo Mundial de Agua, el número de personas afectadas aumentará a 3.900 millones en las próximas décadas.

Uno de los enfoques más prometedores para aliviar la escasez de agua, la desalinización puede aumentar el suministro de agua más allá de lo disponible del ciclo hidrológico. La desalinización del agua de mar de hecho proporciona un suministro infinito y constante de agua de alta calidad que no daña los ecosistemas naturales de agua dulce.

El agua de mar comprende un vasto suministro de agua (97.5% de toda el agua en el planeta). Por lo tanto, el crecimiento de la instalación de instalaciones de desalinización de agua de mar en la última década para eludir los problemas de escasez de agua en países con estrazamiento de agua ha progresado rápidamente. En 2016, la producción mundial de agua por desalinización se estimó en 38 mil millones de metros cúbicos por año, es decir, dos veces mayor que la de 2008.

Hasta ahora, la desalinización del agua de mar se ha realizado principalmente a través de la destilación flash de múltiples etapas y la ósmosis inversa (RO). Principalmente en los áridos países del Golfo Persa, las plantas de desalinización se desempeñan en función de la calefacción y luego en la condensación del agua de mar. Este tipo de planta de desalinización consume grandes cantidades de energía térmica y eléctrica, emitiendo así ampliamente gases de efecto invernadero. Además de esta versión no económica y no ecológica de las plantas de desalinización, el tipo principal de plantas de desalinización construidas en las últimas dos décadas, así como futuras planificadas, se basan en la tecnología RO.

Filtros de grafeno: hasta un 50 por ciento menos de energía

Primero aislado en 2003, el grafeno tiene diferentes propiedades eléctricas, ópticas y mecánicas que el grafito. [Es más fuerte que el acero, y tiene propiedades de tamizado únicas ", dice Grossman. Con solo un átomo de espesor, hay mucha menos pérdida de fricción cuando empuja el agua de mar a través de un filtro de grafeno perforado en comparación con los filtros de plástico de poliamida que se han Utilizado durante los últimos 50 años, dice.

[Hemos demostrado que los filtros de grafeno perforados pueden manejar las presiones de agua de las plantas de desalinización mientras ofrecen cientos de veces una mejor permeabilidad ", explica Grossman. [El proceso de bombear agua de mar a través de filtros representa aproximadamente la mitad de los costos operativos de una planta de desalinización. Con grafeno, con grafeno, Podríamos usar un 15 por ciento menos de energía para el agua de mar y hasta un 50 por ciento menos de energía para el agua salobre ".

Otra ventaja es que los filtros de grafeno no se ensucian con el bio-crecimiento a casi la velocidad que ocurre con los filtros de poliamida. Las plantas de desalinización a menudo funcionan con una eficiencia reducida debido a la necesidad de limpiar con frecuencia los filtros. Además, el cloro utilizado para limpiar los filtros reduce la integridad estructural de la poliamida, lo que requiere un reemplazo frecuente. En comparación, el grafeno es resistente a los efectos dañinos del cloro.

Según Grossman, puede reemplazar fácilmente los filtros de poliamida con filtros de grafeno en las plantas existentes. Al igual que los filtros de poliamida, los filtros de grafeno se pueden montar en soportes robustos de polisulfona, que tienen agujeros más grandes que tamizan partículas.

Sin embargo, quedan desafíos significativos para reducir los costos. El grupo Grossman ha hecho un buen progreso en la creación de altos volúmenes de grafeno a un costo razonablemente bajo. Sin embargo, un desafío más grave es que los agujeros de uniformes rentable en el grafeno de una manera altamente escalable.

[Una planta típica tiene decenas de miles de membranas, configuradas en tubos de dos metros de largo, cada uno de los cuales tiene 40 metros cuadrados de membrana activa enrollada ", dice Grossman. [Tenemos que igualar ese volumen al mismo costo, o ella `Sa no acelerador".

Hacer grafeno a bajo precio

La forma tradicional de hacer que el grafeno, desde su primer aislamiento en 2003, tenga en cuenta que es despegarlo con el adhesivo. [Literalmente llevas un trozo de cinta adhesiva al grafito y te peleas ", explica Grossman. [Si sigues haciendo esto, eventualmente terminas con una sola capa. El problema es que tomaría una eternidad despegar suficiente grafeno para una desalinización planta."

Otro enfoque es [crecer "grafeno aplicando gases súper altos a la lámina de cobre. [El cultivo del grafeno proporciona la mejor calidad, por lo que la industria de los semiconductores está interesado en ella", dice Grossman. El proceso, sin embargo, es muy costoso y intensivo en energía.

En cambio, el grupo Grossman está utilizando un enfoque químico mucho más asequible, que produce una calidad suficiente para crear membranas de desalinización. [Afortunadamente, nuestra aplicación no requiere la mejor calidad ", dice Grossman. [Con la técnica química, ponemos el grafito en una solución y aplicamos química de baja temperatura para romper todo el trozo de grafito en sábanas. Podemos obtener lotes de grafeno muy barato y rápido ".

Crear poros que bloquean la sal pero dejan pasar las moléculas de agua es un desafío más empinado. La razón por la que la desalinización es posible en primer lugar es que cuando se difunde en el agua, los iones de sal se unen con las moléculas de agua, creando así una entidad más grande. Pero la diferencia de tamaño en comparación con una molécula de agua libre sigue siendo frustrantemente pequeña.

[El desafío es encontrar el punto óptimo de aproximadamente 0.8 nanómetros ", dice Grossman. [Si tus poros están a 1,5 nm, entonces tanto el agua como la sal pasarán. Si son medio nanómetro, entonces nada pasa. "

Un agujero de 0.8 nm es [más pequeño de lo que hemos podido hacer de manera controlable con cualquier otro material ", dice Grossman. [Y necesitamos hacer esto en un área muy grande de manera muy consistente y económica".

El grupo Grossman está buscando tres técnicas para hacer membranas de grafeno nanoporosas, todas las cuales usan energía química y térmica en lugar de procesos mecánicos. [Si trataste de usar litografía, tomaría años ", dice Grossman. [Nuestro primer enfoque implica hacer que los agujeros sean demasiado grandes y luego llenarlos cuidadosamente. Otro intenta hacerlos exactamente del tamaño correcto, y el tercero implica comenzar con un material sin agujeros y luego destrozándolo cuidadosamente ".

La técnica química para hacer grafeno en realidad produce óxido de grafeno, que se considera indeseable para los semiconductores, pero está bien para los filtros. Como resultado, los investigadores pudieron evitar el paso difícil de eliminar el oxígeno del óxido de grafeno. De hecho, encontraron una manera de usar el oxígeno para su ventaja.

[Al controlar la forma en que el oxígeno se une a la lámina de grafeno, podemos usar energía química y térmica para perforar los agujeros con la ayuda del oxígeno ", dice Grossman.

Primer objetivo: agua salobre

A medida que el Grupo Grossman continúa trabajando en el desafío de fabricar y perforar las láminas de grafeno, Grossman está buscando aprovechar otros beneficios de los filtros de grafeno para ayudar a llevar la tecnología al mercado.

Aunque el grafeno debería mejorar la eficiencia con el agua de mar y el agua aún más salada y más sucia utilizada en la fractura hidráulica, probablemente debutará en plantas que limpian el agua salobre, como se encuentra en los estuarios. [Resulta que una mayor permeabilidad incluso por un factor de dos o tres marcaría una mayor diferencia con el agua salobre que con el agua de mar ", dice Grossman. [Baje el consumo de energía en ambos casos, pero más aún para el agua salobre".

Los filtros de grafeno también podrían permitir la construcción de plantas más pequeñas y más baratas. [Con el grafeno tiene más opciones sobre cómo opera la planta ", dice Grossman. [Puede aplicar las mismas presiones pero sacar más agua o puede operarla a presiones más bajas y obtener la misma cantidad de agua, pero a un menor costo de energía ".

Grossman señala que puede llevar años o incluso décadas al sitio y permitir una planta en áreas costeras muy pobladas. [Se realiza un gran esfuerzo en cómo va a construir la planta y dónde encontrará suficiente tierra ", dice Grossman. [Tener la opción de construir una planta más pequeña sería una gran ventaja".

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