Forskere anser grafen som en kur for Desalination Woes


Jorden har ca. 1, 4 milliarder kubikkmeter vann. Dessverre kommer det store flertallet av det vannet fra havet og er ikke drikkevann hvis det ikke behandles av dyre, energisvette avsaltningsanlegg. Disse problemene stammer i stor grad fra ineffektivitet i måten saltioner er skilt fra vannmolekyler, og løsningen, sier et team av materialforskere fra Massachusetts Institute of Technology, ligger i å revidere den prosessen fundamentalt. D

Jorden har ca. 1, 4 milliarder kubikkmeter vann. Dessverre kommer det store flertallet av det vannet fra havet og er ikke drikkevann hvis det ikke behandles av dyre, energisvette avsaltningsanlegg. Disse problemene stammer i stor grad fra ineffektivitet i måten saltioner er skilt fra vannmolekyler, og løsningen, sier et team av materialforskere fra Massachusetts Institute of Technology, ligger i å revidere den prosessen fundamentalt.
Den overveiende avsaltningsmetoden i dag-omvendt osmose (RO) -relaterer på polymerbaserte membraner for å fjerne salt og krever stort trykk for å presse vann gjennom en semipermeabel film. Jo større trykk påføres, desto høyere koster det. MIT-forskerne, ledet av Jeffrey Grossman og David Cohen-Tanugi, foreslår at filmer laget av grafen kan filtrere ut salt uten å hemme vannstrømmen like mye. Graphene, et superstrengt kullark som bare er et atom tykt, har hovedsakelig blitt sett på som et materiale for å forbedre elektronikk og optisk kommunikasjon.
Omvendt osmose krever mindre energi enn andre desalineringsmetoder - for eksempel termisk destillasjon - men grafenmembraner som inneholder nanoskalaporer som er mer permeable enn polymerene som for tiden brukes, ville ytterligere redusere energibehovene, rapporterte forskerne online i forrige måned i Nano Letters .
Tanken er å diskriminere mellom vannmolekyler og saltioner basert på størrelse. "Omvendt osmose bruker størrelsesutestenging, med unntak av at det utelukker alt, " sier Grossman, en lektor i energiteknikk.
En grafenmembran ville gi veldefinerte kanaler som tillater vannmolekyler å strømme gjennom ved lavere trykk mens de blokkerer saltioner, sier Grossman.
Ved hjelp av programvare simuleringer eksperimenterte MIT forskerne med forskjellige porestørrelser for å avsalt sjøvann med en saltkonsentrasjon på 72 gram per liter, omtrent dobbelt så mye salt som normalt finnes i havet. De oppdaget at porene 0, 7 til 0, 9 nanometer i diameter var teoretisk minst var mest effektive ved å passere vannmolekyler mens de blokkerte natriumioner. "Det er det søte stedet, " sier Grossman. "Hvis det er større, vil salt strømme gjennom. Hvis det er mindre, går ingenting gjennom."
Grossman og hans team prøver å avgjøre om kjemiske reaksjoner kan brukes til å tilpasse desalineringsytelsen. Forskerne programmerte sine digitale grafenporer å være belagt med enten hydrofobe (vannavstøtende) eller hydrofile (vann-kjærlige) atomer. Den tidligere reduserte strømmen, men kuttet ned på saltioner som passerte gjennom, mens sistnevnte tillot raskere strømning, men blokkert færre saltioner. Beleggets type kan i siste instans avhenge av forhold ved et gitt anlegg. Likevel rapporterer forskerne, simuleringer indikerer at grafen nanoporer kan avvise saltioner med en vannpermeabilitet to-til-tre størrelsesordener høyere enn RO-membranene.
Selvfølgelig er arbeid med grafen i virkeligheten mer utfordrende enn å filtrere pixilert salt fra digitale vannmolekyler på en datamaskin. Til å begynne med, selv om kjemiske etsnings- og ionbjelker kan brukes til å lage hull i grafen, er det vanskelig å produsere hull av en bestemt størrelse i en jevn konfigurasjon, anerkjenner Grossman. Heller ikke grafen eliminerer spørsmålet om hvor mye gjenværende saltlake kan returneres trygt til havet uten å skade undervanns-habitater. Toksisitet kan også være et viktig problem, sier han, "selv om det ikke finnes noen reelle svar akkurat nå med hensyn til [grafens] potensielle innvirkning på [drikkevannets sikkerhet]."
Grossman vet ikke når grafenbasert avsaltning kan være klar for kommersiell bruk. Han og hans team fortsetter imidlertid å kjøre simuleringer og har begynt å teste faktiske membraner i laboratoriet for å studere strømningshastigheter og saltholdighet.
Etterspørselen etter drikkevann forventes å eskalere over hele verden i de kommende årene. Grossman sier nøkkelen til å møte at behovet ikke nødvendigvis tilpasser eksisterende teknologi. "Vi så på hvem som jobber med desalinering i det vitenskapelige samfunnet, og det er for det meste mekaniske ingeniører som arbeider på systemnivå, sier han. "Det gjøres lite på systemdesignsiden ved hjelp av grunnvitenskap og arbeid fra bunnen av."

Hva har en ubåt, en rakett og en fotball til felles?Storms kan øke hastigheten på ozonet over USADel 8: Håndtering av Habitat DestructionEr naturgass mer klimavennlig?  Forskere kart Tusenvis av lekkasjer i Washington, DCStamcellebehandling for hjertesvikt får en Gull-Standard-prøveTviler Cloud Claims of Metallic HydrogenMenneskelig overbefolkning: Fortsatt et problem av bekymring?Batter Up: Shattering Sticks Opprett fare i MLB Ballparks