Den amerikanska massa- och pappersindustrin använder stora mängder vatten för att producera cellulosamassa från träd. Vattnet som lämnar massaprocessen innehåller ett antal organiska biprodukter och oorganiska kemikalier. För att återanvända vattnet och kemikalierna, pappersbruk är beroende av ångmatade förångare som kokar upp vattnet och separerar det från kemikalierna.

Vattenavskiljning med förångare är effektiv men använder stora mängder energi. Det är viktigt med tanke på att USA för närvarande är världens näst största tillverkare av papper och kartong. Landets cirka 100 pappersbruk beräknas använda cirka 0,2 quads (en quad är en quadrillion BTU) energi per år för vattenåtervinning, vilket gör det till en av de mest energikrävande kemiska processerna. All industriell energiförbrukning i USA under 2019 uppgick till 26,4 quads, enligt Lawrence Livermore National Laboratory.

Ett alternativ är att använda energieffektiva filtreringsmembran för att återvinna massaavloppsvatten. Men konventionella polymermembran – kommersiellt tillgängliga under de senaste decennierna – tål inte drift under de svåra förhållanden och höga kemiska koncentrationer som finns i avloppsvatten och många andra industriella tillämpningar.

Georgia Institute of Technologys forskare har hittat en metod för att konstruera membran gjorda av grafenoxid (GO), ett kemiskt resistent material baserat på kol, så att de kan arbeta effektivt i industriella tillämpningar.

"GO har anmärkningsvärda egenskaper som gör att vatten kan ta sig igenom det mycket snabbare än genom konventionella membran, sa Sankar Nair, professor, Simmons fakultetsstipendiat, och biträdande ordförande för Industry Outreach i Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Men en långvarig fråga har varit hur man får GO-membran att fungera under realistiska förhållanden med höga kemiska koncentrationer så att de kan bli industriellt relevanta."

Med hjälp av nya tillverkningstekniker, forskarna kan kontrollera mikrostrukturen hos GO-membran på ett sätt som gör att de kan fortsätta filtrera bort vatten effektivt även vid högre kemiska koncentrationer.

Forskningen, stöds av U.S. Department of Energy-RAPID Institute, ett industrikonsortium av skogsproduktföretag, och Georgia Techs Renewable Bioproducts Institute, rapporterades nyligen i tidskriften Naturens hållbarhet . Många industrier som använder stora mängder vatten i sina produktionsprocesser kan ha nytta av att använda dessa GO nanofiltreringsmembran.

Nair, hans kollegor Meisha Shofner och Scott Sinquefield, och deras forskargrupp började detta arbete för fem år sedan. De visste att GO-membran länge hade erkänts för sin stora potential inom avsaltning, men bara i en labbmiljö. "Ingen hade på ett trovärdigt sätt visat att dessa membran kan fungera i realistiska industriella vattenströmmar och driftsförhållanden, "Nya typer av GO-strukturer behövdes som visade hög filtreringsprestanda och mekanisk stabilitet samtidigt som de bibehöll den utmärkta kemiska stabiliteten förknippad med GO-material."

För att skapa sådana nya strukturer, teamet kom på idén att lägga stora aromatiska färgämnesmolekyler mellan GO-ark. Forskarna Zhongzhen Wang, Chen Ma, och Chunyan Xu fann att dessa molekyler starkt band sig till GO-arken på flera sätt, inklusive att stapla en molekyl på en annan. Resultatet blev skapandet av "galleri" mellanrum mellan GO-arken, med färgämnesmolekylerna som fungerar som "pelare". Vattenmolekyler filtrerar lätt genom de smala utrymmena mellan pelarna, medan kemikalier som finns i vattnet blockeras selektivt baserat på deras storlek och form. Forskarna kunde ställa in membranets mikrostruktur vertikalt och lateralt, så att de kan kontrollera både höjden på galleriet och mängden utrymme mellan pelarna.

Teamet testade sedan GO-nanofiltreringsmembranen med flera vattenströmmar innehållande lösta kemikalier och visade membranens förmåga att avvisa kemikalier efter storlek och form, även vid höga koncentrationer. I sista hand, de skalade upp sina nya GO-membran till ark som är upp till 4 fot långa och demonstrerade sin funktion i mer än 750 timmar i en riktig matningsström från ett pappersbruk.

Nair uttryckte entusiasm över potentialen hos GO-membrannanofiltrering för att generera kostnadsbesparingar i pappersbrukets energianvändning, vilket skulle kunna förbättra branschens hållbarhet. "Dessa membran kan spara pappersindustrin mer än 30 % i energikostnader för vattenseparering, " han sa.