Boornitride-coating is een belangrijk ingrediënt in hypersaline-ontziltingstechnologie

Een dunne coating van het 2-D nanomateriaal hexagonaal boornitride is het hoofdingrediënt in een kosteneffectieve technologie die is ontwikkeld door ingenieurs van Rice University voor het ontzilten van industriële pekel.

Meer dan 1,8 miljard mensen leven in landen waar zoet water schaars is. In veel dorre streken is zeewater of zout grondwater overvloedig aanwezig, maar kostbaar om te ontzouten. Bovendien betalen veel industrieën hoge verwijderingskosten voor afvalwater met hoge zoutconcentraties dat niet kan worden behandeld met conventionele technologieën. Omgekeerde osmose, de meest voorkomende ontziltingstechnologie, vereist steeds grotere druk naarmate het zoutgehalte van water toeneemt en kan niet worden gebruikt om water te behandelen dat extreem zout of hypersaline is.

Hypersaline water, dat 10 keer meer zout kan bevatten dan zeewater, wordt voor veel industrieën een steeds belangrijkere uitdaging. Sommige olie- en gasbronnen produceren het bijvoorbeeld in grote hoeveelheden en het is een bijproduct van veel ontziltingstechnologieën die zowel zoet water als geconcentreerde pekel produceren. Het vergroten van het waterbewustzijn in alle industrieën is ook een drijfveer, zei Rice’s Qilin Li, co-corresponderende auteur van een studie over de ontziltingstechnologie van Rice, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

“Het is niet alleen de olie-industrie”, zegt Li, mededirecteur van het op rijst gebaseerde Nanotechnology Enabled Water Treatment Center (NEWT). “Industriële processen produceren over het algemeen zout afvalwater omdat de trend is om water te hergebruiken. Veel industrieën proberen watersystemen met ‘gesloten kringloop’ te hebben. Elke keer dat je zoet water recupereert, wordt het zout erin geconcentreerder. Uiteindelijk wordt het afvalwater hypersaline en je moet het ontzilten of betalen om het te verwijderen. ‘

Conventionele technologie om hypersaline water te ontzouten heeft hoge kapitaalkosten en vereist een uitgebreide infrastructuur. NEWT, een National Science Foundation (NSF) Engineering Research Center (ERC) met hoofdkantoor in Rice’s Brown School of Engineering, gebruikt de nieuwste ontwikkelingen in nanotechnologie en materiaalwetenschap om gedecentraliseerde, geschikte technologieën te creëren voor de behandeling van drinkwater en industrieel afvalwater efficiënter.

Een van de technologieën van NEWT is een off-grid ontziltingssysteem dat gebruikmaakt van zonne-energie en een proces dat membraandestillatie wordt genoemd. Wanneer de pekel over één zijde van een poreus membraan wordt gestroomd, wordt het aan het membraanoppervlak verwarmd door een fotothermische coating die zonlicht absorbeert en warmte genereert. Wanneer koud zoet water over de andere kant van het membraan stroomt, ontstaat door het temperatuurverschil een drukgradiënt die waterdamp door het membraan van de warme naar de koude kant stuwt, waardoor zouten en andere niet-vluchtige verontreinigingen achterblijven.

Een groot temperatuurverschil aan elke kant van het membraan is de sleutel tot de efficiëntie van de membraanontzilting. In de op zonne-energie werkende versie van de technologie van NEWT vangen door licht geactiveerde nanodeeltjes die aan het membraan zijn vastgemaakt alle benodigde energie van de zon op, wat resulteert in een hoge energie-efficiëntie. Li werkt samen met een industriële partner van NEWT om een ​​versie van de technologie te ontwikkelen die kan worden ingezet voor humanitaire doeleinden. Maar niet-geconcentreerde zonne-energie alleen is niet voldoende voor snelle ontzilting van hypersaline pekel, zei ze.

“De energie-intensiteit is beperkt met omgevings-zonne-energie”, zegt Li, hoogleraar civiele techniek en milieutechniek. “De energie-input is slechts één kilowatt per vierkante meter, en de productiesnelheid van water is laag voor grootschalige systemen.”

Het toevoegen van warmte aan het membraanoppervlak kan exponentiële verbeteringen opleveren in het volume zoet water dat elke vierkante meter membraan per minuut kan produceren, een maat die bekend staat als flux. Maar zout water is zeer corrosief en wordt bij verhitting corrosiever. Traditionele metalen verwarmingselementen worden snel vernietigd en veel niet-metalen alternatieven doen het weinig beter of hebben onvoldoende geleidbaarheid.

“We waren echt op zoek naar een materiaal dat zeer elektrisch geleidend zou zijn en ook een grote stroomdichtheid zou kunnen ondersteunen zonder te worden gecorrodeerd in dit zeer zoute water”, zei Li.

De oplossing kwam van co-auteurs Jun Lou en Pulickel Ajayan van Rice’s Department of Materials Science and NanoEngineering (MSNE). Lou, Ajayan en NEWT postdoctorale onderzoekers en studeren co-hoofdauteurs Kuichang Zuo en Weipeng Wang, en studie co-auteur en afgestudeerde student Shuai Jia ontwikkelden een proces voor het coaten van een fijn roestvrijstalen gaas met een dunne film van hexagonaal boornitride (hBN) .

Door de combinatie van chemische bestendigheid en thermische geleidbaarheid van boornitride is de keramische vorm een ​​waardevolle aanwinst voor apparatuur voor hoge temperaturen, maar hBN, de atoomdikte 2D-vorm van het materiaal, wordt meestal op vlakke oppervlakken gekweekt.

“Dit is de eerste keer dat deze prachtige hBN-coating op een onregelmatig, poreus oppervlak is gekweekt”, zei Li. “Het is een uitdaging, want overal waar je een defect hebt in de hBN-coating, krijg je corrosie.”

Jia en Wang gebruikten een gemodificeerde chemische dampafzetting (CVD) -techniek om tientallen lagen hBN te laten groeien op een niet-behandeld, commercieel verkrijgbaar roestvrijstalen gaas. De techniek breidde eerder Rice-onderzoek naar de groei van 2D-materialen op gebogen oppervlakken uit, dat werd ondersteund door het Center for Atomically Thin Multifunctional Coatings, of ATOMIC. Het ATOMIC Centre wordt ook gehost door Rice en ondersteund door het Industry / University Cooperative Research Program van de NSF.

De onderzoekers toonden aan dat de gaascoating, die slechts ongeveer een 10 miljoenste van een meter dik was, voldoende was om de verweven draden te omhullen en ze te beschermen tegen de corrosieve krachten van hypersaline water. Het gecoate draadgaas verwarmingselement werd bevestigd aan een in de handel verkrijgbaar polyvinylideendifluoridemembraan dat werd opgerold tot een spiraalgewonden module, een ruimtebesparende vorm die in veel commerciële filters wordt gebruikt.

In tests voedden onderzoekers het verwarmingselement met een spanning op een huishoudelijke frequentie van 50 hertz en een vermogensdichtheid van wel 50 kilowatt per vierkante meter. Bij maximaal vermogen produceerde het systeem een ​​flux van meer dan 42 kilogram water per vierkante meter membraan per uur – meer dan 10 keer meer dan destillatietechnologieën op basis van zonnemembraan – met een energie-efficiëntie die veel hoger is dan bij bestaande membraandestillatietechnologieën.

Li zei dat het team op zoek is naar een industriële partner om het CVD-coatingproces op te schalen en een groter prototype te produceren voor kleinschalige praktijktests.

“We zijn klaar om enkele commerciële toepassingen na te streven,” zei ze. “Opschalen van het proces op laboratoriumschaal naar een groot 2-D CVD-blad vereist externe ondersteuning.”