ゼファーネットのロゴ

酸化グラフェン膜は製紙業界のエネルギーコストを削減できる

日付:

米国の紙パルプ産業は、木からセルロースパルプを製造するために大量の水を使用しています。 パルプ化プロセスを出る水には、多くの有機副産物と無機化学物質が含まれています。 水と化学薬品を再利用するために、製紙工場は水を沸騰させて化学薬品から分離する蒸気供給蒸発器に依存しています。

蒸発器による水分離は効果的ですが、大量のエネルギーを使用します。 米国が現在、紙と板紙の世界第100位の生産国であることを考えると、これは重要なことです。 この国の約0.2の製紙工場は、水のリサイクルに年間約2019クワッド(クワッドは26.4兆BTU)のエネルギーを使用すると推定されており、最もエネルギー集約的な化学プロセスのXNUMXつとなっています。 ローレンスリバモア国立研究所によると、XNUMX年の米国のすべての産業エネルギー消費量は合計XNUMXクワッドでした。

別の方法は、エネルギー効率の高いろ過膜を配備してパルプ化廃水をリサイクルすることです。 しかし、過去数十年にわたって市販されている従来の高分子膜は、パルプ廃水や他の多くの産業用途で見られる過酷な条件や高化学濃度での操作に耐えることができません。

ジョージア工科大学の研究者は、炭素をベースにした耐薬品性材料である酸化グラフェン(GO)で作られた膜を設計する方法を発見しました。これにより、産業用途で効果的に機能することができます。

「GOには、水が従来の膜よりもはるかに速く通過できるという優れた特性があります」と、ジョージア工科大学化学生体分子工学部の産業アウトリーチの副議長であるSimmons FacultyFellowのSankarNair教授は述べています。 「しかし、長年の疑問は、GO膜を化学物質濃度の高い現実的な条件で機能させ、産業的に関連性を持たせる方法でした。」

新しい製造技術を使用して、研究者は、より高い化学物質濃度でも効果的に水をろ過し続けることができるように、GO膜の微細構造を制御することができます。

米国エネルギー省-林産物会社の産業コンソーシアムであるRAPIDInstituteと、GeorgiaTechのRenewableBioproducts Instituteの支援を受けたこの研究は、最近ジャーナルに報告されました。 自然の持続可能性。 生産プロセスで大量の水を使用する多くの産業は、これらのGOナノ濾過膜を使用することで恩恵を受ける可能性があります。

Nair、彼の同僚であるMeishaShofnerとScottSinquefield、および彼らの研究チームは、XNUMX年前にこの作業を開始しました。 彼らは、GO膜が脱塩における大きな可能性で長い間認識されてきたことを知っていましたが、それは実験室の設定でのみでした。 「これらの膜が現実的な工業用水流と操作条件で機能することを信頼できる方法で実証した人は誰もいませんでした」とNair氏は述べています。 「GO材料に関連する優れた化学的安定性を維持しながら、高いろ過性能と機械的安定性を示す新しいタイプのGO構造が必要でした。」

このような新しい構造を作成するために、チームはGOシートの間に大きな芳香族染料分子を挟むというアイデアを思いつきました。 Zhongzhen Wang、Chen Ma、Chunyan Xuの研究者は、これらの分子が、ある分子を別の分子に積み重ねるなど、さまざまな方法でGOシートに強く結合していることを発見しました。 その結果、GOシート間に「ギャラリー」スペースが作成され、色素分子が「柱」として機能しました。 水分子は柱の間の狭いスペースを簡単にろ過しますが、水中に存在する化学物質はそのサイズと形状に基づいて選択的にブロックされます。 研究者は、膜の微細構造を垂直方向と横方向に調整して、ギャラリーの高さと柱の間のスペースの量の両方を制御できるようにすることができました。

次に、チームは、溶解した化学物質を含む複数の水流でGOナノろ過膜をテストし、高濃度であっても、サイズと形状によって化学物質を排除する膜の能力を示しました。 最終的に、彼らは新しいGO膜を最大4フィートの長さのシートにスケールアップし、製紙工場から得られた実際の供給ストリームで750時間以上の動作を実証しました。

Nairは、GO膜ナノろ過が製紙工場のエネルギー使用量のコスト削減を生み出し、業界の持続可能性を向上させる可能性があることに興奮を表明しました。 「これらの膜は、製紙業界で水分離のエネルギーコストを30%以上節約できます」と彼は言いました。

###

ジョージア工科大学は引き続き産業パートナーと協力して、GO膜技術を紙パルプ用途に適用しています。

この作業は、ジョージアパシフィック、インターナショナルペーパー、SAPPI、およびウェストロックで構成される産業コンソーシアムである米国エネルギー省(DOE)のプロセス強化展開の急速な進歩(RAPID)研究所(#DE-EE007888-5-5)によってサポートされています。ジョージア工科大学再生可能バイオ製品研究所。 この資料に記載されている意見、調査結果、結論または推奨事項は著者のものであり、必ずしもスポンサー組織の見解を反映しているわけではありません。

引用:Zhongzhen Wang、et al。、「現実的な条件下での脱塩のための酸化グラフェンナノ濾過膜」。 ((自然の持続可能性、2021)https://doi。org /10.1038 /s41893-020-00674-3。

http://rh.ゲート。edu /ニュース/644552 /酸化グラフェン-膜-削減-製紙-産業-エネルギー-コスト

出典:https://bioengineer.org/graphene-oxide-membranes-could-reduce-paper-industry-energy-costs/

スポット画像

最新のインテリジェンス

スポット画像