Grafen Oksit Membranlar Kağıt Endüstrisinin Enerji Maliyetlerini Düşürebilir
Fotoğraf: Üretim süreçlerinde büyük miktarlarda su kullanan kağıt fabrikaları, sürdürülebilirliği iyileştirmek için yeni yöntemlere ihtiyaç duyuyor.
ABD kağıt hamuru ve kağıt endüstrisi, ağaçlardan selüloz hamuru üretmek için büyük miktarlarda su kullanır. Kağıt hamuru üretim sürecinden çıkan su, bir dizi organik yan ürün ve inorganik kimyasallar içerir. Suyu ve kimyasalları yeniden kullanmak isteyen kağıt fabrikaları ise, suyu kaynatan ve onu kimyasallardan ayıran buharla beslenen evaporatörleri kullanır.
Evaporatörlerle su ayırma etkili bir yöntem olmasına rağmen, büyük miktarda enerji kullanımı gerektirir. Amerika Birleşik Devletleri’nin şu anda dünyanın en büyük ikinci kağıt ve karton üreticisi olduğu düşünüldüğünde bu önemlidir. Ülkedeki yaklaşık 100 kağıt fabrikasının su geri dönüşümü için yılda yaklaşık 0.2 quad (dörtte bir katrilyon BTU) enerji kullandığı tahmin ediliyor ve bu da su geri dönüşümü işlemini en yoğun enerji gerektiren kimyasal işlemlerden biri yapıyor. Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’na göre, 2019’da Amerika Birleşik Devletleri’ndeki tüm endüstriyel enerji tüketimi 26.4 squad olarak kayıtlara geçti ve bu da büyük bir miktar.
Bir alternatif olarak, hamur haline getirilmiş atık suyu geri dönüştürmek için enerji tasarruflu filtrasyon membranları kullanılmaktadır. Ancak, son on yıldır ticari olarak temin edilebilen geleneksel polimer membranlar, kağıt hamuru atık sularında ve diğer birçok endüstriyel uygulamada bulunan zorlu koşullarda ve yüksek kimyasal konsantrasyonlarda çalışmaya dayanamaz.
Georgia Teknoloji Enstitüsü araştırmacıları, endüstriyel uygulamalarda etkili bir şekilde çalışabilecek, karbon bazlı kimyasal olarak dirençli bir malzeme olan grafen oksitten (GO) yapılan membranları üretmek için bir yöntem buldular.
Georgia Teknoloji Enstitüsü Kimya ve Biyomoleküler Mühendisliği Okulu, Simmons Fakülte Üyesi ve Endüstri Sosyal Yardımları başkan yardımcısı Prof. Sankar Nair, “GO, suyun geleneksel membranlardan çok daha hızlı geçmesine izin veren olağanüstü özelliklere sahip” dedi. Ancak uzun süredir akıllarda olan bir soru var, GO membranlarının endüstriyel olarak uygun hale gelmeleri için yüksek kimyasal konsantrasyonlara sahip gerçekçi koşullarda nasıl çalıştırılacağıdır.
Araştırmacılar, yeni üretim tekniklerini kullanarak GO membranlarının mikro yapısını, daha yüksek kimyasal konsantrasyonlarda bile suyu etkili bir şekilde filtrelemeye devam etmelerine izin verecek şekilde kontrol edebilirler.
Orman ürünleri şirketlerinin endüstriyel bir konsorsiyumu olan ABD Enerji Bakanlığı RAPID Enstitüsü ve Georgia Tech’in Yenilenebilir Biyo Ürünler Enstitüsü tarafından desteklenen araştırma, geçtiğimiz günlerde Nature Sustainability dergisinde yayımlandı. Üretim süreçlerinde büyük miktarlarda su kullanan birçok endüstri, bu GO nanofiltrasyon membranlarından faydalanabilir.
Nair, meslektaşları Meisha Shofner, Scott Sinquefield ve araştırma ekibi bu çalışmaya beş yıl önce başladı. GO membranlarının uzun zamandır tuzdan arındırmadaki büyük potansiyelleriyle tanındığını biliyorlardı, ancak bu yalnızca laboratuvar koşullarında mümkündü. Nair, “Hiç kimse, bu membranların gerçekçi endüstriyel su akışlarında ve çalışma koşullarında performans gösterebileceğini inandırıcı bir şekilde gösteremedi” dedi. GO malzemeleriyle ilişkili mükemmel kimyasal stabiliteyi korurken, yüksek filtreleme performansı ve mekanik stabilite sergileyen yeni tip GO yapılarına ihtiyaç vardı.
Ekip, bu tür yeni yapılar oluşturmak için GO levhaları arasında büyük aromatik boya moleküllerini sıkıştırma fikrini tasarladı. Araştırmacılar Zhongzhen Wang, Chen Ma ve Chunyan Xu, bu moleküllerin kendilerini GO tabakalarına, bir molekülün diğerinin üzerine istiflenmesi gibi çeşitli yollarla, güçlü bir şekilde bağladıklarını keşfetti. Amaç, “sütun” görevi gören boya molekülleri ile GO tabakaları arasında “galeri” adı verilen boşlukların oluşturulmasıydı. Su molekülleri, sütunlar arasındaki dar boşluklardan kolayca filtrelenirken, suda bulunan kimyasallar boyutlarına ve şekillerine göre seçici olarak bloke edildi. Araştırmacılar, membranın mikro yapısını dikey ve yanal olarak ayarlayarak hem galerinin yüksekliğini hem de sütunlar arasındaki boşluk miktarını kontrol edebildiler.
Ekip daha sonra GO nanofiltrasyon membranlarını çözünmüş kimyasallar içeren çok sayıda su akışıyla test etti ve membranların, yüksek konsantrasyonlarda bile kimyasalları boyut ve şekle göre ayırabilme kapasitesini gösterdi. Sonuç olarak, yeni GO membranlarını 4 fit uzunluğa kadar olan tabakalara göre ölçeklendirerek bir kağıt fabrikasından üretilen gerçek bir besleme akışında 750 saatten fazla çalıştıklarını kanıtladılar.
Nair, GO membran nanofiltrasyonunun kağıt fabrikası enerji kullanımında maliyet tasarrufu sağlama potansiyeline duyduğu heyecanı dile getirerek, “Bu membranlar, kağıt endüstrisine su ayrıştırma işleminin enerji maliyetlerinde %30’dan fazla tasarruf sağlayabilir” dedi.
Kaynak: eurekalert.org