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氧化石墨烯膜可以降低造纸行业的能源成本
2021年04月29日    阅读量:     新闻来源:中国化工网 okmart.com  |  投稿

美国纸浆和造纸工业使用大量的水从树木中生产纤维素纸浆。离开制浆过程的水包含许多有机副产物和无机化学物质。为了再利用水和化学药品,造纸厂依靠蒸汽供给的蒸发器将水沸腾并将其与化学药品分离中国化工网okmart.com


通过蒸发器进行水分离是有效的,但会消耗大量能量。考虑到美国目前是世界第二大纸和纸板生产国,这一点意义重大。据估计,该国约100家造纸厂每年使用约0.2 quad(一quad等于4千万BTU)的能源进行水循环利用,使其成为能耗最高的化学过程之一。


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根据劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory)的数据,2019年美国所有工业能源消耗总计26.4 quad。


一种替代方法是部署节能过滤膜以回收制浆废水。但是传统的聚合物膜-过去几十年可商购-无法承受制浆废水和许多其他工业应用中发现的苛刻条件和高化学浓度下的操作。


乔治亚理工学院的研究人员发现了一种方法,可以对由氧化石墨烯(GO)制成的膜进行工程设计,氧化石墨烯是一种基于碳的耐化学腐蚀材料,因此可以在工业应用中有效发挥作用。


佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院工业拓展副主席,教授西蒙斯学院研究员Sankar Nair说:“ GO具有非凡的特性,使水比常规膜更快地通过水。” “但是长期以来一直存在的问题是如何使GO膜在高化学浓度的现实条件下工作,从而使其在工业上具有重要意义。”


使用新的制造技术,研究人员可以以某种方式控制GO膜的微观结构,即使在较高的化学浓度下,它们也可以继续有效地滤出水。


最近,在《自然可持续性》杂志上报道了这项由美国能源部RAPID研究所(林产品公司的工业财团)和佐治亚理工学院的可再生生物产品研究所支持的研究。许多在生产过程中使用大量水的行业可能会从使用这些GO纳滤膜中受益。


Nair,他的同事Meisha Shofner和Scott Sinquefield及其研究团队在五年前就开始了这项工作。他们知道,GO膜因其在海水淡化方面的巨大潜力而??久负盛名,但仅限于实验室环境。奈尔说:“没有人可靠地证明这些膜可以在现实的工业水流和运行条件下发挥作用。” “需要新型的GO结构,以显示出高过滤性能和机械稳定性,同时保留与GO材料相关的出色化学稳定性。”


为了创建这样的新结构,研究小组设想了将大的芳香族染料分子夹在GO板之间的想法。研究人员王中振,马晨和徐春燕发现,这些分子以多种方式将自身牢固地结合到GO片上,包括将一个分子堆叠在另一个分子上。


结果是在GO板之间创建了“画廊”空间,染料分子充当了“支柱”。水分子很容易通过柱子之间的狭窄空间过滤,而水中的化学物质则根据其大小和形状被选择性地阻挡。研究人员可以垂直和横向调整膜的微观结构,从而既可以控制画廊的高度,又可以控制柱子之间的空间。


然后,研究小组用含有溶解化学物质的多股水流测试了GO纳滤膜,并显示了即使在高浓度下,膜也能按大小和形状排斥化学物质。最终,他们将新的GO膜按比例放大到最长4英尺的片材,并在造纸厂生产的真实进料流中证明了其运行超过750小时。


Nair激动地表示,GO膜纳米过滤技术可以节省造纸厂的能源使用成本,从而提高行业的可持续性。他说:“这些膜可以为造纸业节省30%以上的水分离能源成本。”


这项工作得到了美国能源部(DOE)的工艺强化部署快速进步(RAPID)研究所(#DE-EE007888-5-5)的支持,该协会是由乔治亚州-太平洋,国际纸业,SAPPI和WestRock组成的工业联盟,和佐治亚技术可再生生物产品研究所。本材料中表达的任何观点,发现,结论或建议均为作者的观点,不一定反映赞助组织的观点。


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