Màng graphene oxit giảm chi phí năng lượng cho ngành công nghiệp giấy
Anh Phương (CESTI)
22/03/2021
KH&CN nước ngoài
Ngành công nghiệp giấy và bột giấy của Hoa Kỳ sử dụng khối lượng lớn nước để sản xuất bột giấy xenlulô từ thực vật. Nước thải ra từ quá trình nghiền bột giấy, chứa một số sản phẩm phụ hữu cơ và hóa chất vô cơ. Để tái sử dụng nước và hóa chất, các nhà máy giấy đã dựa vào thiết bị bay hơi chạy bằng hơi nước để làm sôi nước và tách nước khỏi hóa chất.
Tách nước bằng thiết bị bay hơi đem lại hiệu quả nhưng sử dụng nhiều năng lượng. Đây là vấn đề quan trọng vì Hoa Kỳ hiện là nhà sản xuất giấy và bìa lớn thứ hai thế giới. Ước tính, khoảng 100 nhà máy giấy của nước này sử dụng khoảng 0,2 quad (một đơn vị năng lượng tương đương với 10¹⁵ BTU) năng lượng mỗi năm để tái chế nước. Theo Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore, tổng mức tiêu thụ năng lượng của ngành công nghiệp Hoa Kỳ vào năm 2019 là 26,4 quad.
Thực tế, các màng polyme thông thường đã được bán trên thị trường trong nhiều thập kỷ qua, nhưng không hoạt động được lâu dài trong điều kiện khắc nghiệt với nồng độ hóa chất cao có trong nước thải từ quá trình nghiền bột giấy và nhiều ứng dụng công nghiệp khác. Vì vậy, nhóm nghiên cứu tại Viện công nghệ Georgia, đã tìm ra giải pháp thay thế là thiết kế màng từ graphene oxit (GO), một vật liệu kháng hóa chất làm từ cacbon để tái chế nước thải từ quá trình nghiền bột giấy.
GS. Sankar Nair cho biết “Nhóm nghiên cứu của ông đã bắt đầu công việc nghiên cứu màng GO cách đây 5 năm. Màng GO từ lâu đã được công nhận vì có tiềm năng lớn trong việc khử muối, nhưng chỉ trong môi trường phòng thí nghiệm. Không ai có thể chứng minh một cách đáng tin cậy rằng những màng lọc này có thể hoạt động trong các dòng nước công nghiệp và điều kiện vận hành thực tế. Vì vậy, cần có cấu trúc GO mới cải thiện hiệu suất lọc và độ ổn định cơ học trong khi vẫn giữ được độ ổn định hóa học liên quan đến vật liệu GO".
Để tạo ra cấu trúc mới, nhóm nghiên cứu kết hợp các phân tử thuốc nhuộm thơm (hóa chất công nghiệp) cỡ lớn vào giữa các màng GO. Kết quả, tạo ra khoảng trống giúp các phân tử nước dễ dàng được lọc qua các khe hẹp giữa màng GO và phân tử thuốc nhuộm.
Sau đó, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm màng lọc GO với nhiều dòng nước thải có chứa hóa chất hòa tan. Kết quả là màng GO loại bỏ hóa chất theo kích thước và hình dạng ngay cả ở nồng độ cao. Cuối cùng, các nhà nghiên cứu đã phát triển màng GO mới thành các tấm dài 4 feet (đơn vị đo chiều dài) và chứng minh màng có khả năng hoạt động hơn 750 giờ trong dòng nước thải, có tiềm năng trong việc tiết kiệm chi phí năng lượng cho nhà máy giấy.
Anh Phương (CESTI) – Theo phys.org