ABD kağıt hamuru ve kağıt endüstrisi, ağaçlardan selüloz hamuru üretmek için büyük miktarlarda su kullanıyor. Kağıt hamuru çıkarma işleminden çıkan su, bir takım organik yan ürünler ve inorganik kimyasallar içerir. Suyu ve kimyasalları yeniden kullanmak için kağıt fabrikaları, suyu kaynatıp kimyasallardan ayıran buharla beslenen buharlaştırıcılara güveniyor.

Buharlaştırıcılarla suyun ayrılması etkilidir ancak büyük miktarda enerji kullanılır. Amerika Birleşik Devletleri'nin şu anda dünyanın en büyük ikinci kağıt ve karton üreticisi olduğu göz önüne alındığında bu oldukça önemli. Ülkedeki yaklaşık 100 kağıt fabrikasının suyun geri dönüşümü için yılda yaklaşık 0.2 dört kat (dört katrilyon BTU) enerji kullandığı tahmin ediliyor, bu da onu en enerji yoğun kimyasal işlemlerden biri haline getiriyor. Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı'na göre, 2019'da Amerika Birleşik Devletleri'ndeki tüm endüstriyel enerji tüketiminin toplamı 26.4 kat oldu.

Bir alternatif, kağıt hamuru atık suyunun geri dönüştürülmesi için enerji tasarruflu filtreleme membranlarının kullanılmasıdır. Ancak son birkaç on yıldır ticari olarak mevcut olan geleneksel polimer membranlar, atık suyun kağıt hamuru haline getirilmesinde ve diğer birçok endüstriyel uygulamada bulunan zorlu koşullarda ve yüksek kimyasal konsantrasyonlarda çalışmaya dayanamaz.

Georgia Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları, endüstriyel uygulamalarda etkili bir şekilde çalışabilmeleri için, karbon bazlı, kimyasal olarak dirençli bir malzeme olan grafen oksitten (GO) yapılmış membranların mühendisliğini yapmak için bir yöntem buldular.

Profesör, Simmons Fakülte Üyesi ve Georgia Tech Kimya ve Biyomoleküler Mühendislik Okulu Endüstri Sosyal Yardımı başkan yardımcısı Sankar Nair, "GO, suyun geleneksel membranlardan çok daha hızlı geçmesine olanak tanıyan olağanüstü özelliklere sahiptir" dedi. "Ancak uzun süredir devam eden bir soru, GO membranlarının yüksek kimyasal konsantrasyonlarla gerçekçi koşullarda çalışmasının nasıl sağlanacağı ve böylece endüstriyel olarak uygun hale getirilebilecekleri olmuştur."

Yeni üretim tekniklerini kullanarak araştırmacılar, GO membranlarının mikro yapısını, daha yüksek kimyasal konsantrasyonlarda bile suyu etkili bir şekilde filtrelemeye devam etmelerini sağlayacak şekilde kontrol edebiliyorlar.

Orman ürünleri şirketlerinden oluşan endüstriyel bir konsorsiyum olan ABD Enerji Bakanlığı-RAPID Enstitüsü ve Georgia Tech'in Yenilenebilir Biyoürünler Enstitüsü tarafından desteklenen araştırma yakın zamanda dergide bildirildi. Doğa Sürdürülebilirliği. Üretim süreçlerinde büyük miktarlarda su kullanan birçok endüstri, bu GO nanofiltrasyon membranlarının kullanılmasından faydalanabilir.

Nair, meslektaşları Meisha Shofner ve Scott Sinquefield ve araştırma ekibi bu çalışmaya beş yıl önce başladı. GO membranlarının tuzdan arındırmadaki büyük potansiyelinin uzun süredir tanındığını biliyorlardı, ancak bunu yalnızca laboratuvar ortamında yaptılar. Nair, "Hiç kimse bu membranların gerçekçi endüstriyel su akışlarında ve çalışma koşullarında performans gösterebileceğini inandırıcı bir şekilde kanıtlayamadı" dedi. "GO malzemeleriyle ilişkili mükemmel kimyasal stabiliteyi korurken yüksek filtreleme performansı ve mekanik stabilite sergileyen yeni tip GO yapılarına ihtiyaç vardı."

Bu tür yeni yapılar yaratmak için ekip, büyük aromatik boya moleküllerini GO tabakaları arasına sıkıştırma fikrini ortaya attı. Araştırmacılar Zhongzhen Wang, Chen Ma ve Chunyan Xu, bu moleküllerin kendilerini GO tabakalarına, bir molekülün diğerinin üzerine istiflenmesi de dahil olmak üzere birçok yolla güçlü bir şekilde bağlandığını buldu. Sonuç, GO tabakaları arasında boya moleküllerinin "sütun" görevi gördüğü "galeri" boşluklarının yaratılmasıydı. Su molekülleri sütunlar arasındaki dar boşluklardan kolaylıkla süzülürken, suda bulunan kimyasallar da boyutlarına ve şekillerine göre seçici olarak bloke ediliyor. Araştırmacılar, membranın mikro yapısını dikey ve yanal olarak ayarlayarak hem galerinin yüksekliğini hem de sütunlar arasındaki boşluk miktarını kontrol edebildiler.

Ekip daha sonra GO nanofiltrasyon membranlarını çözünmüş kimyasallar içeren birden fazla su akışıyla test etti ve membranların, yüksek konsantrasyonlarda bile kimyasalları boyutuna ve şekline göre reddetme yeteneğini gösterdi. Sonuçta, yeni GO membranlarını 4 metre uzunluğa kadar levhalara ölçeklendirdiler ve bir kağıt fabrikasından elde edilen gerçek bir besleme akışında 750 saatten fazla çalıştıklarını gösterdiler.

Nair, GO membran nanofiltrasyonunun kağıt fabrikası enerji kullanımında maliyet tasarrufu sağlama ve endüstrinin sürdürülebilirliğini artırabilme potansiyelinden duyduğu heyecanı dile getirdi. "Bu membranlar kağıt endüstrisini su ayırmanın enerji maliyetlerinde %30'dan fazla tasarruf sağlayabilir" dedi.

###

Georgia Tech, GO membran teknolojisini kağıt hamuru ve kağıt uygulamalarına uygulamak için endüstriyel ortaklarıyla birlikte çalışmaya devam ediyor.

Bu çalışma, Georgia-Pacific, International Paper, SAPPI ve WestRock'tan oluşan bir endüstriyel konsorsiyum olan ABD Enerji Bakanlığı (DOE) Süreç Yoğunlaştırma Dağıtımında Hızlı Gelişme (RAPID) Enstitüsü (#DE-EE007888-5-5) tarafından desteklenmektedir. ve Georgia Tech Yenilenebilir Biyoürünler Enstitüsü. Bu materyalde ifade edilen her türlü görüş, bulgu, sonuç veya öneri yazarlara aittir ve sponsor kuruluşların görüşlerini yansıtmayabilir.

ALINTI: Zhongzhen Wang, ve diğerleri, "Gerçekçi Koşullar Altında Tuzdan Arındırma için Grafen Oksit Nanofiltrasyon Membranları." (Doğa Sürdürülebilirliği, 2021) https://DOI.org /101038 /s41893-020-00674-3.