Εφαρμογή Γραφενίου στη Διήθηση Νερού

Σε όλο τον κόσμο, περισσότεροι από δύο δισεκατομμύρια άνθρωποι δεν έχουν πρόσβαση σε καθαρό νερό. Το 90% αυτού του πληθυσμού ζει σε αγροτικές ή απομακρυσμένες περιοχές. Ομοίως, ένα στα εννέα άτομα δεν έχει πρόσβαση σε πόσιμο νερό που δεν είναι μολυσμένο. Η πρόκληση γίνεται περισσότερο αισθητή στις αναπτυσσόμενες χώρες. Το 80% των λυμάτων εκκενώνεται απευθείας στα υδατικά συστήματα χωρίς καμία επεξεργασία και η συνέπεια είναι οι αναφερόμενοι 3,5 εκατομμύρια ετήσιοι θάνατοι από αιτίες που σχετίζονται άμεσα με την ανεπαρκή παροχή νερού, την αποχέτευση και την υγιεινή. Είναι συγκινητικό το γεγονός ότι τα Ηνωμένα Έθνη έχουν προσδιορίσει το πρόβλημα του νερού ως έναν από τους στόχους των Στόχων Βιώσιμης Ανάπτυξης του 2015, αλλά ειδικοί στο κλίμα λένε ότι το πρόβλημα μπορεί σύντομα να είναι άνευ προηγουμένου.

Υπάρχει ανάγκη για καθαρό νερό για τη βελτίωση του βιοτικού επιπέδου των ανθρώπων και των κοινοτήτων και την ταχεία ώθηση της αστικοποίησης, αλλά δυστυχώς, η αναζήτηση για εκβιομηχάνιση έχει δει τις οικιακές, γεωργικές και βιομηχανικές δραστηριότητες να βλάπτουν την ποιότητα του νερού, προκαλώντας την ανάγκη για επεξεργασία νερού. Η επεξεργασία νερού είναι μια συλλογική ονομασία για μια ομάδα [κοινώς βιομηχανικών] διεργασιών που κάνουν το νερό πιο κατάλληλο για τη χρήση του, συμπεριλαμβανομένων των οικιακών και βιομηχανικών χρήσεων. Η συμβατική προσέγγιση στη βιομηχανική επεξεργασία νερού είναι μέσω επεξεργασίας νερού λέβητα, επεξεργασίας νερού ψύξης και επεξεργασίας λυμάτων. Αλλά πρόσφατα, ορισμένες τεχνολογίες καθαρισμού του νερού, όπως η χρήση γραφενίου, αμφισβητούν αυτές τις προσεγγίσεις για την αντιμετώπιση αυτού του προβλήματος του νερού.

Το γραφένιο είναι ένα υλικό άνθρακα που θεωρείται συστατικό του γραφίτη. Έχει μερικά ενδιαφέροντα χαρακτηριστικά: είναι ελαφρύ, καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και έχει μοναδικούς βαθμούς απορρόφησης φωτός. Είναι επίσης ένα καλό υδρόφιλο που σχηματίζει μια σταθερή, οξειδωμένη διασπορά γραφενίου όταν διασπείρεται στο νερό - μια ιδιότητα που είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα για τη χρήση του σε μια νέα μέθοδο φιλτραρίσματος νερού. Το οξείδιο του γραφενίου είναι το πιο δημοφιλές παράγωγο του γραφενίου. Όταν προστίθεται σε ιονισμένο νερό, είναι βολικό να χρησιμοποιείται στην προετοιμασία της μεμβράνης οξειδίου του γραφενίου, η οποία έχει δει τεράστια ερευνητική πρόοδο στη διήθηση του νερού. Αξίζει να σημειωθεί ότι η οξείδωση του γραφενίου σε οξείδιο του γραφενίου θα αύξανε τη διαλυτότητα του γραφενίου στα μόρια του νερού. Ωστόσο, μια τροποποίηση της μεμβράνης του οξειδίου του γραφενίου μπορεί να αλλάξει τις επιφανειακές ιδιότητες του οξειδίου του γραφενίου για να βελτιώσει την υδροφιλία της μεμβράνης. Για παράδειγμα, η χρήση ενός αρχείου γραφενίου τροποποιημένου με σιλάνιο βελτιώνει την πρόσφυση μεταξύ του γραφενίου και του φιλμ βάσης.

Είναι ενδιαφέρον ότι η μεμβράνη καθαρισμού του νερού που παράγεται με αυτή τη νέα μέθοδο φιλτραρίσματος όχι μόνο αφαιρεί τους ρύπους αλλά και τους εξάγει φυσικά. Οι ερευνητές λένε ότι δισεκατομμύρια νανοκύλινδροι στοιβαγμένοι σε στρώματα μπορούν να φιλτράρουν επιλεκτικά τους ρύπους. Η δισδιάστατη δομή του γραφενίου δίνει τη δυνατότητα στους επιστήμονες να στριμώξουν φύλλα γραφενίου, παράγοντας μια μεμβράνη λεπτής στιβάδας. Τα αποτελέσματα της μοριακής προσομοίωσης έχουν δείξει ότι τα μόρια του νερού μπορούν να περάσουν μέσα από κατάλληλα μεγέθη πόρων οξειδωμένων σφαιριδίων γραφενίου. Αυτό το πλεονέκτημα φιλτραρίσματος του γραφενίου μπορεί να πιστωθεί στη χαμηλή αντίσταση ροής των μονοστοιβάδων των μορίων του νερού μεταξύ των φύλλων γραφενίου.

Η εφαρμογή αυτής της νέας μεθόδου φιλτραρίσματος νερού σας δίνει νερό που έχει τις βασικές ιδιότητες του καθαρού νερού: άοσμο, άχρωμο και άγευστο. Η πρόκληση, ωστόσο, ήταν η επεκτασιμότητα αυτής της μεθόδου φιλτραρίσματος για να εξυπηρετήσει έναν εμπορικό σκοπό.

Μια ομάδα ερευνητών μηχανικής στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης ανέπτυξε μια επεκτάσιμη τεχνολογία που απαιτεί απρόσκοπτη, υψηλής ποιότητας γραφένιο για να κατασκευαστεί και να προσαρμοστεί στις εφαρμογές μεμβράνης. Η ιδέα της εφαρμογής μεμβράνης του γραφενίου για τη διήθηση του νερού δεν είναι νέα, αλλά δεδομένης της ομοιότητας ενός μόνο φύλλου γραφενίου με ένα ατομικά λεπτό σύρμα που αποτελείται από άτομα άνθρακα συνυφασμένα σε ένα σχέδιο που το καθιστά εξαιρετικά αδιαπέραστο και του δίνει την υψηλή αντοχή εφελκυσμού του , η παραγωγή μεμβρανών γραφενίου έχει περιοριστεί μόνο σε μικρές παρτίδες στα εργαστήρια. Η εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας μεμβράνης γραφενίου για διήθηση θα απαιτούσε μια παραγωγή που είναι συνεχής και αξιόπιστη - και αυτό είναι κάτι που οι ερευνητές από το MIT έχουν αναγνωρίσει και αποκρυπτογραφήσει στη νέα τους τεχνολογία.

Η διαδικασία περιλαμβάνει ένα σύστημα "roll-to-roll" όπου τα καρούλια που συνδέονται μέσω ενός μεταφορικού ιμάντα στα δύο άκρα ξετυλίγουν (στο πρώτο καρούλι) καθαρά φύλλα χαλκού, τα οποία περνούν μέσα από έναν κλίβανο και (στο δεύτερο καρούλι) επεξεργασμένα φύλλα χαλκού που μεταφέρουν εναποθέσεις μεθανίου και υδρογόνου που σχηματίζουν γραφένιο σε διασκορπισμένα μέρη που συσσωματώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα συνεχές φύλλο. Ο χαλκός χαράσσεται από το γραφένιο και το γραφένιο υποστηρίζεται από ένα πορώδες πολυμερές. Μέσω αυτής της τεχνολογίας δημιουργούνται 5 εκατοστά γραφενίου ανά λεπτό. Οι ερευνητές λένε ότι εάν βρίσκονταν σε ένα εργοστάσιο, θα λειτουργούσε 24 ώρες την ημέρα, επτά ημέρες την εβδομάδα.

Η εφαρμογή αυτής της νέας τεχνικής φιλτραρίσματος νερού έχει ευρείες εφαρμογές, συμπεριλαμβανομένων των στρατιωτικών επιχειρήσεων. Το Περιβαλλοντικό Εργαστήριο του Κέντρου Έρευνας και Ανάπτυξης Μηχανικών του Στρατού των ΗΠΑ έχει εφαρμόσει ένα σύστημα φιλτραρίσματος νερού γραφενίου που χρησιμοποιεί οξείδιο του γραφενίου για την ανακύκλωση των λυμάτων. Με τη χρήση χιτοζάνης - ένα φτηνό υλικό που αποτελείται από τα κελύφη των καρκινοειδών - το οξείδιο του γραφενίου συνδέεται σε μια ανακυκλώσιμη μεμβράνη που μπορεί να φιλτράρει έως και 600 γαλόνια λυμάτων ανά ώρα. Η τεχνολογία έχει κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας από τον αμερικανικό στρατό και είναι επίσης διαθέσιμη στη βιομηχανία.

Συνοπτικά, το Καθαρό Νερό και η Αποχέτευση για Όλους είναι ένας από τους 17 Στόχους Βιώσιμης Ανάπτυξης που έχουν τεθεί από τα Ηνωμένα Έθνη προς υιοθέτηση από τους παγκόσμιους ηγέτες και αυτός ο στόχος είναι απαραίτητος για την επίτευξη και άλλων στόχων, όπως η Υγεία και η Ευεξία και η Μηδενική Ευεξία. Οι ερευνητές αμφισβητούν συνεχώς τον εαυτό τους για το πώς να βελτιώσουν την ποιότητα του νερού για να επιτύχουν αυτούς τους στόχους και να βελτιώσουν την ποιότητα ζωής. Μια αναδυόμενης κατηγορίας τεχνολογία καθαρισμού νερού που βασίζεται σε μεμβράνες έχει προσελκύσει τα ενδιαφέροντα ερευνητών και επιστημόνων παγκοσμίως. Το γραφένιο έχει διαφημιστεί για να φέρει επανάσταση στις μεθόδους επεξεργασίας/διήθησης του νερού, δεδομένου ορισμένων από τις λεπτές και εκπληκτικές φυσικές και δομικές του ιδιότητες. Μέχρι πρόσφατα, η εμπορική του επεκτασιμότητα ήταν αμφίβολη λόγω των περιορισμένων ποσοτήτων παραγωγής του (περιορίζονται μόνο για χρήση σε εργαστηριακές ποσότητες), αλλά η αναδυόμενη έρευνα έχει δείξει ότι υπάρχει δρόμος για την εμπορευματοποίηση αυτής της τεχνολογίας, ότι αυτό το υλικό άνθρακα δεν είναι μόνο το μέλλον της μεθόδου φιλτραρίσματος νερού αλλά και το παρόν.