Med den intensifierade torkan i Kalifornien, staten har påskyndat byggandet av avsaltningsanläggningar. Men på grund av höga bygg- och driftskostnader, samt miljöhänsyn, vi kommer sannolikt inte att se återvunnet havsvatten representera mer än en liten del av USA:s rena vattenreserver under en tid framöver. Förutom andra kostnader, de enorma mängder energi som krävs för att göra rent vatten från havsvatten fortsätter att göra avsaltning till en nischlösning i de flesta delar av världen.

När Jeffrey Grossman, en professor vid MIT:s institution för materialvetenskap och teknik (DMSE), började undersöka om nya material kunde minska kostnaderna för avsaltning, han blev förvånad när han upptäckte hur lite forsknings- och utvecklingspengar som användes på problemet.

"En miljard människor runt om i världen saknar regelbunden tillgång till rent vatten, och det förväntas mer än fördubblas under de kommande 25 åren, ", säger Grossman. "Avsaltat vatten kostar fem till tio gånger mer än vanligt kommunalt vatten, ändå investerar vi inte tillräckligt mycket pengar i forskning. Om vi ​​inte har ren energi är vi i allvarliga problem, men om vi inte har vatten dör vi."

På Grossman Group, som utforskar utvecklingen av nya material för att hantera problem med ren energi och vatten, en möjlig lösning kan vara till hands. Grossmans labb har visat starka resultat som visar att nya filter gjorda av grafen avsevärt kan förbättra energieffektiviteten i avsaltningsanläggningar samtidigt som de potentiellt kan minska andra kostnader också.

grafen, som är resultatet av att skära av ett atomtjockt lager av grafit, framstår alltmer som något av ett undermaterial. Grossman-gruppen, till exempel, tittar också på att använda det som ett billigare alternativ till kisel för att tillverka solceller.

"Det har aldrig varit en mer spännande tid att vara materialvetare, " säger Grossman. "När du tittar på ren teknik eller vattenfiltrering, du upptäcker att flaskhalsen för energiomvandlingen härrör från materialet. Vi kan nu designa material i stort sett hela vägen ner till atomens skala på nästan vilket sätt vi vill, skräddarsy material på sätt som tidigare var omöjliga. Det är en konvergens som växer fram där vi står inför enormt pressande problem som bara kan lösas genom att utveckla nya material."

Grafenfilter:Upp till 50 procent mindre energi

Först isolerades 2003, grafen har olika elektriska, optisk, och mekaniska egenskaper än grafit. "Det är starkare än stål, och den har unika siktningsegenskaper, " säger Grossman. På bara en atom tjock, det är mycket mindre friktionsförlust när du trycker havsvatten genom ett perforerat grafenfilter jämfört med polyamidplastfiltren som har använts de senaste 50 åren, han säger.

"Vi har visat att perforerade grafenfilter kan hantera vattentrycket från avsaltningsanläggningar samtidigt som de erbjuder hundratals gånger bättre permeabilitet, " Grossman förklarar. "Processen att pumpa havsvatten genom filter representerar ungefär hälften av driftskostnaderna för en avsaltningsanläggning. Med grafen, vi skulle kunna använda upp till 50 procent mindre energi."

En annan fördel är att grafenfilter inte blir nedsmutsade av biotillväxt i nästan den hastighet som sker med polyamidfilter. Avsaltningsanläggningar körs ofta med reducerad effektivitet på grund av behovet av att ofta rengöra filtren. Dessutom, klor som används för att rengöra filtren minskar polyamidens strukturella integritet, kräver frekvent byte. Som jämförelse, grafen är resistent mot de skadliga effekterna av klor.

Enligt Grossman, du kan enkelt ersätta polyamidfilter med grafenfilter i befintliga anläggningar. Precis som polyamidfilter, grafenfilter kan monteras på robusta polysulfonstöd, som har större hål som siktar bort partiklar.

Än, betydande utmaningar kvarstår när det gäller att få ner kostnaderna. Grossman Group har gjort goda framsteg när det gäller att skapa stora volymer grafen till en rimligt låg kostnad. En allvarligare utmaning, dock, är kostnadseffektivt att sticka enhetliga hål i grafenet på ett mycket skalbart sätt.

"En typisk växt har tiotusentals membran, konfigurerad i två meter långa rör, som var och en har 40 kvadratmeter upprullat aktivt membran, " säger Grossman. "Vi måste matcha den volymen till samma kostnad, eller så är det en icke-startare."

Att göra grafen billigt

Det traditionella sättet att tillverka grafen - sedan dess första isolering 2003, märk väl — är att skala av den med lim. "Du tar bokstavligen en bit Scotch Tape till grafit och du skalar, Grossman förklarar. "Om du fortsätter att göra det här, du slutar till slut med ett enda lager. Problemet är att det skulle ta en evighet att skala bort tillräckligt med grafen för en avsaltningsanläggning."

Ett annat tillvägagångssätt är att "odla" grafen genom att applicera superheta gaser på kopparfolie. "Att odla grafen ger den bästa kvaliteten, vilket är anledningen till att halvledarindustrin är intresserad av det, " säger Grossman. Processen, dock, är mycket dyrt och energikrävande.

Istället, Grossman Group använder en mycket billigare kemisk metod, som ger tillräcklig kvalitet för att skapa avsaltningsmembran. "Lyckligtvis, vår applikation kräver inte den bästa kvaliteten, " säger Grossman. "Med den kemiska tekniken, vi lägger grafit i en lösning, och tillämpa lågtemperaturkemi för att bryta isär hela grafitbiten till ark. Vi kan få massor av grafen mycket billigt och snabbt."

Att skapa porer som blockerar salt men låter vattenmolekyler passera är en brantare utmaning. Anledningen till att avsaltning är möjlig i första hand är att när den sprids i vatten, saltjoner binder till vattenmolekyler, därigenom skapa en större helhet. Men skillnaden i storlek jämfört med en fri vattenmolekyl är fortfarande frustrerande liten.

"Utmaningen är att hitta sweet spot på cirka 0,8 nanometer, " säger Grossman. "Om dina porer är vid 1,5 nm, då kommer både vattnet och saltet att passera. Om de är en halv nanometer, då kommer ingenting igenom."

Ett 0,8 nm hål är "mindre än vi någonsin har kunnat göra på ett kontrollerbart sätt med något annat material, ", säger Grossman. "Och vi måste göra det här över ett mycket stort område mycket konsekvent och billigt."

Grossman Group arbetar med tre tekniker för att göra nanoporösa grafenmembran, som alla använder kemisk och termisk energi snarare än mekaniska processer. "Om du försökte använda litografi, det skulle ta år, " säger Grossman. "Vårt första tillvägagångssätt innebär att göra hålen för stora, och fyller sedan försiktigt i dem. En annan försöker göra dem exakt i rätt storlek, och den tredje innebär att börja med ett material utan hål och sedan försiktigt slita isär det."

Den kemiska tekniken för att göra grafen producerar faktiskt grafenoxid, som anses oönskat för halvledare, men är bra för filter. Som ett resultat, forskarna kunde undvika det svåra steget att ta bort syret från grafenoxiden. Faktiskt, de hittade ett sätt att använda syret till sin fördel.

"Genom att kontrollera hur syret binds till grafenarket, vi kan använda kemisk och termisk energi för att borra hålen med hjälp av syret, säger Grossman.

Första målet:Bräckt vatten

När Grossman Group fortsätter att arbeta med utmaningen att tillverka och perforera grafenark, Grossman vill dra nytta av andra fördelar med grafenfilter för att få ut tekniken på marknaden.

Även om grafen borde förbättra effektiviteten med havsvatten och ännu saltare, smutsigare vatten som används vid hydraulisk frakturering, det kommer troligen att debutera i växter som renar bräckt vatten, som finns i flodmynningar. "Det visar sig att högre permeabilitet även med en faktor två eller tre skulle göra större skillnad med bräckt vatten än med havsvatten, " säger Grossman. "Du sänker energiförbrukningen i båda fallen, men mer så för bräckt vatten."

Grafenfilter kan också möjliggöra konstruktion av mindre, billigare växter. "Med grafen har du fler valmöjligheter i hur du driver anläggningen, " säger Grossman. "Du kan använda samma tryck men få ut mer vatten, eller så kan du använda den vid lägre tryck och få samma mängd vatten, men till en lägre energikostnad."

Grossman noterar att det kan ta år eller till och med decennier att lokalisera och tillåta en anläggning i tätbefolkade kustområden. "Mycket ansträngning går till hur du ska bygga anläggningen och var du ska hitta tillräckligt med mark, " säger Grossman. "Att ha möjligheten att bygga en mindre anläggning skulle vara en stor fördel."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.