En tunn beläggning av 2-D nanomaterialet hexagonal bornitrid är nyckelingrediensen i en kostnadseffektiv teknik utvecklad av Rice Universitys ingenjörer för avsaltning av industriell styrka saltlösning.

Mer än 1,8 miljarder människor bor i länder där sötvatten är ont om. I många torra områden, havsvatten eller salt grundvatten är rikligt men dyrt att avsalta. Dessutom, många industrier betalar höga kostnader för bortskaffande av avloppsvatten med höga saltkoncentrationer som inte kan behandlas med konventionell teknik. Omvänd osmos, den vanligaste avsaltningstekniken, kräver större och större tryck när salthalten i vattnet ökar och kan inte användas för att behandla vatten som är extremt salt, eller hypersaltlösning.

Hypersaltvatten, som kan innehålla 10 gånger mer salt än havsvatten, är en allt viktigare utmaning för många branscher. Vissa olje- och gaskällor producerar det i stora volymer, till exempel, och det är en biprodukt av många avsaltningstekniker som producerar både sötvatten och koncentrerad saltlösning. Att öka vattenmedvetenheten inom alla branscher är också en drivkraft, sa Rice's Qilin Li, motsvarande författare till en studie om Rices avsaltningsteknik publicerad i Naturens nanoteknik .

"Det är inte bara oljeindustrin, "sa Li, co-director för Rice-based Nanotechnology Enabled Water Treatment Center (NEWT). "Industriella processer, i allmänhet, producera salt avloppsvatten eftersom trenden är att återanvända vatten. Många industrier försöker ha "slutna kretsar" vattensystem. Varje gång du återvinner sötvatten, saltet i det blir mer koncentrerat. Så småningom blir avloppsvattnet hypersalt och du måste antingen avsalta det eller betala för att göra dig av med det."

Konventionell teknik för att avsalta hypersaltvatten har höga kapitalkostnader och kräver omfattande infrastruktur. NEWT, ett National Science Foundation (NSF) Engineering Research Center (ERC) med huvudkontor vid Rice's Brown School of Engineering, använder de senaste framstegen inom nanoteknik och materialvetenskap för att skapa decentraliserade, lämpliga teknologier för att behandla dricksvatten och industriellt avloppsvatten mer effektivt.

En av NEWTs teknologier är ett avsaltningssystem utanför nätet som använder solenergi och en process som kallas membrandestillation. När saltlösningen flödar över ena sidan av ett poröst membran, den värms upp vid membranytan av en fototermisk beläggning som absorberar solljus och alstrar värme. När kallt sötvatten strömmar över den andra sidan av membranet, skillnaden i temperatur skapar en tryckgradient som driver vattenånga genom membranet från den varma till den kalla sidan, lämnar salter och andra icke-flyktiga föroreningar efter sig.

En stor skillnad i temperatur på varje sida av membranet är nyckeln till membranavsaltningseffektiviteten. I NEWT:s solcellsdrivna version av tekniken, ljusaktiverade nanopartiklar fästa vid membranet fångar all nödvändig energi från solen, vilket resulterar i hög energieffektivitet. Li arbetar med en NEWT industriell partner för att utveckla en version av tekniken som kan användas för humanitära ändamål. Men enbart okoncentrerad solenergi räcker inte för höghastighetsavsaltning av hypersaltlösning, Hon sa.

"Energiintensiteten är begränsad med omgivande solenergi, "sa Li, professor i byggnads- och miljöteknik. "Energitillförseln är bara en kilowatt per kvadratmeter, och produktionshastigheten för vatten är långsam för storskaliga system."

Att tillföra värme till membranytan kan ge exponentiella förbättringar i volymen sötvatten som varje kvadratfot membran kan producera varje minut, ett mått som kallas flux. Men saltvatten är mycket frätande, och det blir mer frätande när det värms upp. Traditionella metalliska värmeelement förstörs snabbt, och många icke-metalliska alternativ klarar sig lite bättre eller har otillräcklig konduktivitet.

"Vi letade verkligen efter ett material som skulle vara mycket elektriskt ledande och även stödja stor strömtäthet utan att korroderas i detta mycket salta vatten, " sa Li.

Lösningen kom från studiens medförfattare Jun Lou och Pulickel Ajayan vid Rices avdelning för materialvetenskap och nanoteknik (MSNE). Lou, Ajayan och NEWT postdoktorala forskare och studieledarförfattarna Kuichang Zuo och Weipeng Wang, och studiemedförfattare och doktorand Shuai Jia utvecklade en process för att belägga ett fint rostfritt stålnät med en tunn film av hexagonal bornitrid (hBN).

Bornitrids kombination av kemisk beständighet och värmeledningsförmåga har gjort dess keramiska form till en uppskattad tillgång inom högtemperaturutrustning, men hBN, den atomtjocka 2D-formen av materialet, odlas vanligtvis på plana ytor.

"Det här är första gången denna vackra hBN-beläggning har odlats på en oregelbunden, porös yta, " sa Li. "Det är en utmaning, eftersom du var som helst har en defekt i hBN-beläggningen, du kommer att börja få korrosion."

Jia och Wang använde en modifierad kemisk ångavsättningsteknik (CVD) för att odla dussintals lager av hBN på en obehandlad, kommersiellt tillgängligt rostfritt stålnät. Tekniken utökade tidigare risforskning om tillväxten av 2D-material på krökta ytor, som stöddes av Center for Atomically Thin Multifunctional Coatings, eller ATOMIC. ATOMIC Center är också värd av Rice och stöds av NSF:s Industry/University Cooperative Research Program.

Forskarna visade att trådnätsbeläggningen, som bara var ungefär en 10 miljondels meter tjock, var tillräckligt för att omsluta de sammanvävda trådarna och skydda dem från de frätande krafterna från hypersaltvatten. Det belagda värmeelementet av trådnät fästes på ett kommersiellt tillgängligt polyvinylidendifluoridmembran som rullades in i en spirallindad modul, en platsbesparande form som används i många kommersiella filter.

I tester, forskare drev värmeelementet med spänning vid en hushållsfrekvens på 50 hertz och effekttätheter så höga som 50 kilowatt per kvadratmeter. Vid maximal effekt, systemet producerade ett flöde på mer än 42 kg vatten per kvadratmeter membran per timme – mer än 10 gånger större än teknik för omgivande solcellsmembrandestillation – med en energieffektivitet som är mycket högre än befintlig membrandestillationsteknik.

Li sa att teamet letar efter en industripartner för att skala upp CVD-beläggningsprocessen och producera en större prototyp för småskaliga fälttester.

"Vi är redo att utöva några kommersiella tillämpningar, ", sa hon. "Att skala upp från labbskalaprocessen till ett stort 2D CVD-ark kommer att kräva externt stöd."