Grafeenoxidemembranen kunnen de energiekosten van de papierindustrie verlagen

De Amerikaanse pulp- en papierindustrie gebruikt grote hoeveelheden water om cellulosepulp uit bomen te produceren. Het water dat het pulpproces verlaat, bevat een aantal organische bijproducten en anorganische chemicaliën. Om het water en de chemicaliën te hergebruiken, vertrouwen papierfabrieken op stoomgevoede verdampers die het water koken en het van de chemicaliën scheiden.

Waterscheiding door verdampers is effectief maar kost veel energie. Dat is belangrijk gezien het feit dat de Verenigde Staten momenteel de op één na grootste producent van papier en karton ter wereld is. De ongeveer 100 papierfabrieken van het land gebruiken naar schatting ongeveer 0,2 quads (een quad is een biljard BTU’s) aan energie per jaar voor waterrecycling, waardoor het een van de meest energie-intensieve chemische processen is. Volgens het Lawrence Livermore National Laboratory bedroeg het totale industriële energieverbruik in de Verenigde Staten in 2019 in totaal 26,4 quads.

Een alternatief is om energiezuinige filtermembranen in te zetten om pulverend afvalwater te recyclen. Maar conventionele polymeermembranen – in de handel verkrijgbaar in de afgelopen decennia – zijn niet bestand tegen de zware omstandigheden en hoge chemische concentraties die worden aangetroffen in het verpulveren van afvalwater en vele andere industriële toepassingen.

Onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een methode gevonden om membranen te ontwerpen die zijn gemaakt van grafeenoxide (GO), een chemisch resistent materiaal op basis van koolstof, zodat ze effectief kunnen werken in industriële toepassingen.

“GO heeft opmerkelijke eigenschappen waardoor water er veel sneller doorheen kan dan door conventionele membranen”, zegt Sankar Nair, professor, Simmons Faculty Fellow, en associate chair for Industry Outreach aan de Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering. “Maar een lang bestaande vraag is hoe GO-membranen kunnen werken onder realistische omstandigheden met hoge chemische concentraties, zodat ze industrieel relevant kunnen worden.”

Met behulp van nieuwe fabricagetechnieken kunnen de onderzoekers de microstructuur van GO-membranen zo sturen dat ze water effectief kunnen blijven filteren, zelfs bij hogere chemische concentraties.

Het onderzoek, ondersteund door het Amerikaanse Department of Energy-RAPID Institute, een industrieel consortium van bosbouwproducenten, en het Renewable Bioproducts Institute van Georgia Tech, werd onlangs gerapporteerd in het tijdschrift Duurzaamheid van de natuur​ Veel industrieën die grote hoeveelheden water gebruiken in hun productieprocessen, kunnen baat hebben bij het gebruik van deze GO-nanofiltratiemembranen.

Nair, zijn collega’s Meisha Shofner en Scott Sinquefield, en hun onderzoeksteam begonnen vijf jaar geleden met dit werk. Ze wisten dat GO-membranen al lang werden erkend vanwege hun grote potentieel bij ontzilting, maar alleen in een laboratoriumomgeving. “Niemand had op geloofwaardige wijze aangetoond dat deze membranen kunnen presteren in realistische industriële waterstromen en bedrijfsomstandigheden”, zei Nair. “Er waren nieuwe typen GO-structuren nodig die hoge filtratieprestaties en mechanische stabiliteit vertoonden, terwijl ze de uitstekende chemische stabiliteit behielden die geassocieerd wordt met GO-materialen.”

Om dergelijke nieuwe structuren te creëren, bedacht het team het idee om grote aromatische kleurstofmoleculen tussen GO-vellen te klemmen. Onderzoekers Zhongzhen Wang, Chen Ma en Chunyan Xu ontdekten dat deze moleculen zich op verschillende manieren sterk aan de GO-vellen bonden, waaronder het stapelen van het ene molecuul op het andere. Het resultaat was de creatie van “galerij” -ruimtes tussen de GO-vellen, waarbij de kleurstofmoleculen als “pilaren” fungeerden. Watermoleculen filteren gemakkelijk door de nauwe ruimtes tussen de pilaren, terwijl chemicaliën die in het water aanwezig zijn selectief worden geblokkeerd op basis van hun grootte en vorm. De onderzoekers konden de microstructuur van het membraan verticaal en lateraal afstemmen, zodat ze zowel de hoogte van de galerij als de hoeveelheid ruimte tussen de pilaren konden regelen.

Het team testte vervolgens de GO-nanofiltratiemembranen met meerdere waterstromen die opgeloste chemicaliën bevatten en toonde het vermogen van de membranen om chemicaliën af te wijzen op grootte en vorm, zelfs bij hoge concentraties. Uiteindelijk hebben ze hun nieuwe GO-membranen opgeschaald tot vellen met een lengte van 1,20 meter en hebben ze hun werking gedurende meer dan 750 uur gedemonstreerd in een echte voedingsstroom afkomstig van een papierfabriek.

Nair sprak zijn opwinding uit over het potentieel van GO-membraannanofiltratie om kostenbesparingen te genereren in het energieverbruik van papierfabrieken, wat de duurzaamheid van de industrie zou kunnen verbeteren. “Deze membranen kunnen de papierindustrie meer dan 30% besparen op de energiekosten van waterscheiding”, zei hij.