Graphène pour le dessalement

Introduction

Actuellement, environ 1,2 milliard de personnes dans le monde souffrent d'une pénurie d'eau et de ses conséquences négatives sur la santé, la nourriture et l'énergie. D'une part, la croissance démographique, l'augmentation de l'industrialisation et les besoins énergétiques plus importants et, d'autre part, la perte de la fonte des neiges, le retrait des glaciers et ainsi de suite aggraver cette situation dans les années à venir. Comme estimé par le Conseil mondial de l'eau, le nombre de personnes touchées atteindra 3,9 milliards au cours des prochaines décennies.

L'une des approches les plus prometteuses pour atténuer la pénurie d'eau, le dessalement peut augmenter l'approvisionnement en eau au-delà de ce qui est disponible à partir du cycle hydrologique. Le dessalement de l'eau de mer fournit en effet un approvisionnement infini et régulier en eau de haute qualité qui ne nuit pas aux écosystèmes naturels d'eau douce.

L'eau de mer comprend un vaste approvisionnement en eau (97,5% de toute l'eau de la planète). Ainsi, la croissance de l'installation des installations de dessalement de l'eau de mer au cours de la dernière décennie pour contourner les problèmes de pénurie d'eau dans les pays contractés à l'eau a progressé rapidement. En 2016, la production mondiale d'eau par dessalement était estimée à 38 milliards de mètres cubes par an, soit deux fois plus élevé que celle en 2008.

Jusqu'à présent, le dessalement de l'eau de mer a été principalement effectué via la distillation flash à plusieurs étapes et l'osmose inverse (RO). Surtout dans les pays arides du golfe Persique, les usines de dessalement se comportent sur la base du chauffage puis de la condensation de l'eau de mer. Ce type de usine de dessalement consomme de grandes quantités d'énergie thermique et électrique, émettant ainsi beaucoup de gaz à effet de serre. En plus de cette version non économique et non conviviale des usines de dessalement, le principal type de plantes de dessalement construits au cours des deux dernières décennies, ainsi que les futures planifiés, sont basés sur la technologie RO.

Filtres de graphène: jusqu'à 50 pour cent moins d'énergie

Premièrement isolé en 2003, le graphène a différentes propriétés électriques, optiques et mécaniques que le graphite. [Il est plus fort que l'acier, et il a des propriétés de tamisage uniques ", dit Grossman. À seulement un atome d'épaisseur, il y a beaucoup moins Utilisé depuis 50 ans, dit-il.

[Nous avons montré que les filtres à graphène perforés peuvent gérer les pressions d'eau des usines de dessalement tout en offrant des centaines de fois une meilleure perméabilité ", explique Grossman. [Le processus de pompage de l'eau de mer à travers des filtres représente environ la moitié des coûts d'exploitation d'une usine de dessalement. Avec le graphène, avec Nous pourrions utiliser 15% d'énergie en moins pour l'eau de mer et jusqu'à 50% d'énergie en moins pour l'eau saumâtre. "

Un autre avantage est que les filtres en graphène ne sont pas en faute avec une bio-croissance à presque le rythme qui se produit avec des filtres en polyamide. Les usines de dessalement fonctionnent souvent à une efficacité réduite en raison de la nécessité de nettoyer fréquemment les filtres. De plus, le chlore utilisé pour nettoyer les filtres réduit l'intégrité structurelle du polyamide, nécessitant un remplacement fréquent. En comparaison, le graphène résiste aux effets dommageables du chlore.

Selon Grossman, vous pouvez facilement remplacer les filtres en polyamide par des filtres à graphène dans les usines existantes. Comme les filtres en polyamide, les filtres à graphène peuvent être montés sur des supports de polysulfone robustes, qui ont des trous plus grands qui tamisent les particules.

Pourtant, des défis importants restent à réduire les coûts. Le groupe Grossman a fait de bons progrès dans la création de volumes élevés de graphène à un coût raisonnablement bas. Un défi plus grave, cependant, est de pivoter des trous uniformes dans le graphène de manière rentable.

[Une usine typique a des dizaines de milliers de membranes, configurées dans des tubes de deux mètres de long, chacun ayant 40 mètres carrés de membrane active enroulée ", dit Grossman. [Nous devons correspondre à ce volume au même prix, ou «SA non-starter».

Faire du graphène à bon marché

La façon traditionnelle de fabriquer du graphène - depuis sa première isolement en 2003, pensez-vous - est de le décoller avec l'adhésif. [Vous prenez littéralement un morceau de ruban Scotch en graphite et vous peluez ", explique Grossman. [Si vous continuez à le faire, vous finissez par vous retrouver avec une seule couche. plante."

Une autre approche consiste à [cultiver le graphène "en appliquant des gaz superchés sur la feuille de cuivre. [Le graphène croissant offre la meilleure qualité, c'est pourquoi l'industrie des semi-conducteurs s'intéresse à cela", a déclaré Grossman. Le processus, cependant, est très coûteux et à forte intensité d'énergie.

Au lieu de cela, le groupe Grossman utilise une approche chimique beaucoup plus abordable, qui produit une qualité suffisante pour créer des membranes de dessalement. [Heureusement, notre application ne nécessite pas la meilleure qualité ", explique Grossman. [Avec la technique chimique, nous mettons du graphite dans une solution et appliquons une chimie à basse température pour briser tout le morceau de graphite en feuilles. Nous pouvons obtenir beaucoup de graphène à très bon marché et rapidement. "

Créer des pores qui bloquent le sel mais laisser passer les molécules d'eau est un défi plus élevé. La raison pour laquelle le dessalement est possible en premier lieu est que lorsqu'il est diffusé dans l'eau, les ions sel se lient aux molécules d'eau, créant ainsi une entité plus grande. Mais la différence de taille par rapport à une molécule d'eau libre est encore frustrante.

[Le défi est de trouver le point idéal d'environ 0,8 nanomètre ", dit Grossman. [Si vos pores sont à 1,5 nm, alors l'eau et le sel passeront. S'ils sont un demi-nanomètre, alors rien ne passe. "

Un trou de 0,8 nm est [plus petit que nous n'avons jamais pu faire de manière contrôlable avec tout autre matériau, "dit Grossman. [Et nous devons le faire sur une très grande zone de manière très cohérente et à moindre coût."

Le groupe Grossman poursuit trois techniques pour fabriquer des membranes de graphène nanoporeuses, qui utilisent toutes l'énergie chimique et thermique plutôt que les processus mécaniques. [Si vous essayiez d'utiliser la lithographie, cela prendrait des années ", dit Grossman. [Notre première approche consiste à rendre les trous trop grands, puis à les remplir soigneusement. Un autre essaie de les faire exactement de la bonne taille, et le troisième implique de commencer avec un matériau sans trous puis le déchirer soigneusement. "

La technique chimique pour fabriquer du graphène produit en fait de l'oxyde de graphène, qui est considéré comme indésirable pour les semi-conducteurs, mais est bien pour les filtres. En conséquence, les chercheurs ont pu éviter l'étape difficile de retirer l'oxygène de l'oxyde de graphène. En fait, ils ont trouvé un moyen d'utiliser l'oxygène à leur avantage.

[En contrôlant la façon dont l'oxygène est lié à la feuille de graphène, nous pouvons utiliser l'énergie chimique et thermique pour percer les trous à l'aide de l'oxygène ", explique Grossman.

Première cible: eau saumâtre

Alors que le groupe Grossman continue de travailler sur le défi de la fabrication et de la perforation des feuilles de graphène, Grossman cherche à tirer parti d'autres avantages des filtres en graphène pour aider à commercialiser la technologie.

Bien que le graphène devrait améliorer l'efficacité avec l'eau de mer et l'eau encore plus salée et plus sale utilisée dans la fracturation hydraulique, elle fera probablement ses débuts dans les plantes qui nettoient l'eau saumâtre, comme les estuaires. [Il s'avère qu'une perméabilité plus élevée, même par un facteur de deux ou trois, ferait une plus grande différence avec l'eau saumâtre qu'avec l'eau de mer ", dit Grossman. [Vous baissez la consommation d'énergie dans les deux cas, mais plus encore pour l'eau saumâtre."

Les filtres en graphène pourraient également permettre la construction de plantes plus petites et moins chères. [Avec le graphène, vous avez plus de choix dans la façon dont vous utilisez l'usine, "dit Grossman. [Vous pouvez appliquer les mêmes pressions mais sortir plus d'eau, ou vous pouvez le faire fonctionner à des pressions plus basses et obtenir la même quantité d'eau, mais à un Coût énergétique inférieur. "

Grossman note que cela peut prendre des années, voire des décennies, et permettre une usine dans des zones côtières fortement peuplées. [Beaucoup d'efforts sont consacrés à la façon dont vous allez construire l'usine et où vous allez trouver suffisamment de terres ", dit Grossman. [Avoir la possibilité de construire une plante plus petite serait un gros avantage."

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