미국 펄프 및 제지 산업은 나무에서 셀룰로오스 펄프를 생산하기 위해 다량의 물을 사용합니다. 펄프 화 공정에서 나오는 물에는 많은 유기 부산물과 무기 화학 물질이 포함되어 있습니다. 물과 화학 물질을 재사용하기 위해 제지 공장에서는 물을 끓여서 화학 물질과 분리하는 증기 공급 식 증발기에 의존합니다.

증발기에 의한 수분 분리는 효과적이지만 많은 양의 에너지를 사용합니다. 미국이 현재 세계에서 두 번째로 큰 종이 및 판지 생산국이라는 점을 감안할 때 이는 의미가 있습니다. 미국의 약 100 개 제지 공장은 물 재활용을 위해 연간 약 0.2 쿼드 (2019 조 BTU)의 에너지를 사용하는 것으로 추정되어 가장 에너지 집약적 인 화학 공정 중 하나입니다. 로렌스 리버모어 국립 연구소에 따르면 26.4 년 미국의 모든 산업 에너지 소비는 총 XNUMX 쿼드였습니다.

대안은 에너지 효율적인 여과막을 배치하여 펄프 화 폐수를 재활용하는 것입니다. 그러나 기존의 폴리머 멤브레인 (지난 수십 년 동안 상업적으로 사용 가능)은 펄프 화 폐수 및 기타 여러 산업 응용 분야에서 발견되는 가혹한 조건과 높은 화학적 농도에서 작동을 견딜 수 없습니다.

조지아 공과 대학의 연구원들은 탄소 기반의 내 화학성 물질 인 산화 그래 핀 (GO)으로 만든 멤브레인을 엔지니어링하는 방법을 발견하여 산업 응용 분야에서 효과적으로 작동 할 수 있습니다.

“GO는 기존의 막을 통하는 것보다 훨씬 더 빨리 물이 통과 할 수있는 놀라운 특성을 가지고 있습니다.”라고 조지아 공과 대학 화학 및 생체 분자 공학의 산업 봉사 활동 부소장 인 Sankar Nair (Simmons 교수 연구원)는 말했습니다. “그러나 오랜 질문은 GO 멤브레인이 어떻게 산업적으로 관련 될 수 있도록 높은 화학 농도의 현실적인 조건에서 작동하도록 만드는 것이 었습니다.”

새로운 제조 기술을 사용하여 연구원들은 더 높은 화학 농도에서도 효과적으로 물을 계속 여과 할 수 있도록 GO 멤브레인의 미세 구조를 제어 할 수 있습니다.

임산물 기업의 산업 컨소시엄 인 미국 에너지 -RAPID 연구소와 조지아 공대의 재생 가능한 바이오 제품 연구소가 지원 한이 연구는 최근 저널에보고되었습니다. 자연의 지속 가능성. 생산 공정에서 다량의 물을 사용하는 많은 산업은 이러한 GO 나노 여과막을 사용하여 이익을 얻을 수 있습니다.

Nair, 그의 동료 인 Meisha Shofner, Scott Sinquefield 및 그들의 연구팀은 XNUMX 년 전에이 작업을 시작했습니다. 그들은 GO 멤브레인이 담수화에서 큰 잠재력으로 오랫동안 인식되어 왔지만 실험실 환경에서만 가능하다는 것을 알고있었습니다. Nair는“아무도 이러한 멤브레인이 실제 산업 수류 및 작동 조건에서 작동 할 수 있다는 것을 믿을 수있는 것으로 입증하지 못했습니다. "GO 재료와 관련된 우수한 화학적 안정성을 유지하면서 높은 여과 성능과 기계적 안정성을 보여주는 새로운 유형의 GO 구조가 필요했습니다."

이러한 새로운 구조를 만들기 위해 팀은 GO 시트 사이에 큰 방향족 염료 분자를 끼우는 아이디어를 고안했습니다. 연구원 Zhongzhen Wang, Chen Ma 및 Chunyan Xu는 이러한 분자가 한 분자를 다른 분자 위에 쌓는 것을 포함하여 여러 방법으로 GO 시트에 강하게 결합한다는 것을 발견했습니다. 그 결과 염료 분자가 "기둥"역할을하는 GO 시트 사이에 "갤러리"공간이 생성되었습니다. 물 분자는 기둥 사이의 좁은 공간을 통해 쉽게 걸러지며 물에 존재하는 화학 물질은 크기와 모양에 따라 선택적으로 차단됩니다. 연구원들은 멤브레인 미세 구조를 수직 및 측면으로 조정하여 갤러리의 높이와 기둥 사이의 공간을 모두 제어 할 수 있습니다.

그런 다음 연구팀은 용해 된 화학 물질이 포함 된 여러 물 흐름으로 GO 나노 여과막을 테스트했으며 고농도에서도 크기와 모양에 따라 화학 물질을 거부하는 막의 기능을 보여주었습니다. 궁극적으로 그들은 새로운 GO 멤브레인을 최대 4 피트 길이의 시트로 확장하고 제지 공장에서 추출한 실제 공급 흐름에서 750 시간 이상 작동을 시연했습니다.

Nair는 산업의 지속 가능성을 향상시킬 수있는 제지 공장 에너지 사용 비용을 절감 할 수있는 GO 멤브레인 나노 여과의 잠재력에 대해 흥분을 표명했습니다. “이 막은 제지 산업에서 수분 분리의 에너지 비용을 30 % 이상 절약 할 수 있습니다.

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Georgia Tech는 계속해서 산업 파트너와 협력하여 펄프 및 제지 응용 분야에 GO 멤브레인 기술을 적용하고 있습니다.

이 작업은 Georgia-Pacific, International Paper, SAPPI 및 WestRock으로 구성된 산업 컨소시엄 인 미국 에너지 부 (DOE) Rapid Advancement in Process Intensification Deployment (RAPID) Institute (# DE-EE007888-5-5)에서 지원합니다. 그리고 Georgia Tech Renewable Bioproducts Institute. 이 자료에 표현 된 모든 의견, 결과 및 결론 또는 권장 사항은 저자의 것이며 반드시 후원 기관의 견해를 반영하는 것은 아닙니다.

인용 : Zhongzhen Wang, et al., "현실적인 조건에서 담수화를위한 그래 핀 산화물 나노 여과막." (자연의 지속 가능성, 2021) https : //doi.org /10.1038 /s41893-020-00674-3.