تستخدم صناعة اللب والورق الأمريكية كميات كبيرة من المياه لإنتاج لب السليلوز من الأشجار. تحتوي المياه الخارجة من عملية فصل الألياف على عدد من المنتجات الثانوية العضوية والمواد الكيميائية غير العضوية. لإعادة استخدام الماء والمواد الكيميائية ، تعتمد مصانع الورق على المبخرات التي تعمل بالبخار والتي تغلي الماء وتفصله عن المواد الكيميائية.

يعتبر فصل الماء بواسطة المبخرات فعالاً ولكنه يستخدم كميات كبيرة من الطاقة. هذا أمر مهم بالنظر إلى أن الولايات المتحدة حاليًا هي ثاني أكبر منتج للورق والورق المقوى في العالم. تشير التقديرات إلى أن مصانع الورق في البلاد البالغ عددها 100 تقريبًا تستخدم حوالي 0.2 كواد (رباعي هو كوادريليون وحدة حرارية بريطانية) من الطاقة سنويًا لإعادة تدوير المياه ، مما يجعلها واحدة من أكثر العمليات الكيميائية استهلاكًا للطاقة. بلغ إجمالي استهلاك الطاقة الصناعية في الولايات المتحدة في عام 2019 26.4 كوادًا ، وفقًا لمختبر لورانس ليفرمور الوطني.

البديل هو نشر أغشية الترشيح الموفرة للطاقة لإعادة تدوير مياه الصرف الصحي. لكن أغشية البوليمر التقليدية - المتوفرة تجارياً على مدى العقود العديدة الماضية - لا يمكن أن تصمد أمام التشغيل في الظروف القاسية والتركيزات الكيميائية العالية الموجودة في فصل المياه العادمة والعديد من التطبيقات الصناعية الأخرى.

وجد باحثو معهد جورجيا للتكنولوجيا طريقة لهندسة أغشية مصنوعة من أكسيد الجرافين (GO) ، وهي مادة مقاومة كيميائيًا تعتمد على الكربون ، حتى يتمكنوا من العمل بفعالية في التطبيقات الصناعية.

قال سانكار ناير ، الأستاذ وزميل كلية سيمونز ، والرئيس المشارك لتوعية الصناعة في مدرسة جورجيا التقنية للهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية: "تتمتع GO بخصائص رائعة تسمح للمياه بالتخلل إليها بشكل أسرع بكثير من الأغشية التقليدية". "ولكن كان السؤال الذي طال أمده هو كيفية جعل أغشية GO تعمل في ظروف واقعية بتركيزات كيميائية عالية بحيث يمكن أن تصبح ذات صلة صناعية."

باستخدام تقنيات تصنيع جديدة ، يمكن للباحثين التحكم في البنية الدقيقة لأغشية GO بطريقة تسمح لهم بمواصلة تصفية المياه بشكل فعال حتى عند التركيزات الكيميائية العالية.

نُشر البحث ، الذي يدعمه معهد RAPID التابع لوزارة الطاقة الأمريكية ، وهو اتحاد صناعي لشركات منتجات الغابات ، ومعهد المنتجات الحيوية المتجددة التابع لجورجيا تك ، في المجلة مؤخرًا الاستدامة الطبيعية. قد تستفيد العديد من الصناعات التي تستخدم كميات كبيرة من المياه في عمليات إنتاجها من استخدام أغشية الترشيح النانوي GO.

بدأ ناير وزملاؤه ميشا شوفنر وسكوت سينكفيلد وفريقهم البحثي هذا العمل منذ خمس سنوات. لقد عرفوا أن أغشية GO تم التعرف عليها منذ فترة طويلة لإمكاناتها الكبيرة في تحلية المياه ، ولكن فقط في بيئة معملية. قال ناير: "لم يثبت أحد بشكل موثوق أن هذه الأغشية يمكن أن تعمل في مجاري المياه الصناعية الواقعية وظروف التشغيل". "هناك حاجة لأنواع جديدة من هياكل GO التي أظهرت أداء ترشيحًا عاليًا واستقرارًا ميكانيكيًا مع الحفاظ على الاستقرار الكيميائي الممتاز المرتبط بمواد GO."

لإنشاء مثل هذه الهياكل الجديدة ، تصور الفريق فكرة وضع جزيئات صبغة عطرية كبيرة بين صفائح GO. وجد الباحثون Zhongzhen Wang و Chen Ma و Chunyan Xu أن هذه الجزيئات تربط نفسها بقوة بأوراق GO بطرق متعددة ، بما في ذلك تكديس جزيء على آخر. وكانت النتيجة إنشاء مساحات "معرض" بين صفائح GO ، مع عمل جزيئات الصبغة "كأعمدة". ترشح جزيئات الماء بسهولة من خلال المساحات الضيقة بين الأعمدة ، بينما يتم حظر المواد الكيميائية الموجودة في الماء بشكل انتقائي بناءً على حجمها وشكلها. يمكن للباحثين ضبط البنية المجهرية للغشاء عموديًا وجانبيًا ، مما يسمح لهم بالتحكم في ارتفاع المعرض ومقدار المساحة بين الأعمدة.

قام الفريق بعد ذلك باختبار أغشية الترشيح النانوي GO مع تيارات مائية متعددة تحتوي على مواد كيميائية مذابة وأظهر قدرة الأغشية على رفض المواد الكيميائية بالحجم والشكل ، حتى عند التركيزات العالية. في النهاية ، قاموا بتوسيع أغشية GO الجديدة الخاصة بهم إلى صفائح يصل طولها إلى 4 أقدام وأظهروا تشغيلهم لأكثر من 750 ساعة في تيار تغذية حقيقي مشتق من مصنع الورق.

أعربت ناير عن حماسها لإمكانية الترشيح النانوي بغشاء GO لتحقيق وفورات في التكاليف في استخدام الطاقة في مصانع الورق ، مما قد يحسن استدامة الصناعة. وقال "يمكن لهذه الأغشية أن توفر على صناعة الورق أكثر من 30٪ من تكاليف الطاقة لفصل المياه".

# # #

تواصل Georgia Tech العمل مع شركائها الصناعيين لتطبيق تقنية GO للأغشية لتطبيقات اللب والورق.

هذا العمل مدعوم من قبل وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) ، معهد التقدم السريع في نشر تكثيف العمليات (RAPID) (# DE-EE007888-5-5) ، وهو اتحاد صناعي يضم Georgia-Pacific و International Paper و SAPPI و WestRock ، ومعهد Georgia Tech Renewable Bioproducts. أي آراء ونتائج واستنتاجات أو توصيات معبر عنها في هذه المادة هي آراء المؤلفين ولا تعكس بالضرورة وجهات نظر المنظمات الراعية.

الاقتباس: Zhongzhen Wang، et al.، "أغشية الترشيح النانوي بأكسيد الجرافين لتحلية المياه في ظل ظروف واقعية." (الاستدامة الطبيعية، 2021) https: //دوي.غزاله /101038 /s41893-020-00674-3.