Graphen filter – en billigere måde at få drikkevand på
Mange steder i verden mangler folk fersk og rent vand til at slukke tørsten med, selvom det meste af vores planet er dækket med vand. De store mængder saltvand man finder i verdenshavene er dog udrikkelige. Det nye filter system vil kunne omdanne saltvand til drikkevand hurtigere og billigere end man kan i dag. Af Denis Selnihhin.
Drikkevand er en vigtig ressource
Graphen er udråbt som et vidundermateriale (http://inano.au.dk/da/outreach/nanovidensbank/nanomaterials/graphen-et-nyt-vidundermateriale/) og nu har forskere fra MIT fundet en måde hvorved, man kan bruge det som et filter-materiale til afsaltning af vand(Cohen-Tanugi and Grossman, 2012). Havvand fylder hele 97 % af alt det vand der findes på jorden, men kun en lille brøkdel af det bliver afsaltet og brugt som drikkevand. Grunden er at afsaltning er en dyr proces.
Reverse osmosis (BOX 1) er den mest almindelig og energieffektive teknik til afsaltning af havvand. Den seneste rekord lyder på 1,8 kWh energi brugt på afsaltning af 1 kubikmeter vand opnået af et kommercielt anlæg.
Lige nu bruges der klassiske reverse osmosis membraner, hvor vandet transporteres langsomt via en diffusion proces. Det mener forskerne fra MIT, at nano-teknologien kan gøre hurtigere ved at integrere nano-membraner, der selekterer molekyler efter størrelsen. Ud over størrelsen er der også mulighed for at justere porerne med fysiske egenskaber så som ladning og hydrofobicitet.
Funktionaliserede nano-membraner klarer afsaltningsjobbet
Med den tanke i hovedet har forskerne fra Massachusetts lavet membraner fra grafen, som kun er et atom tykt. Ved at variere nano-porerne i størrelsen fra 1,5 til 62 Å, fandt de ud af at den optimale pore skal være 5,5 Å i diameter for at kunne filtrere salt ioner fra.
Porerne var også funktionaliseret enten med hydrogen atomer (-H) for at gøre dem mere hydrofobe (vandskyende) og med hydroxyl grupper (-OH) for at gøre dem hydrofile (vandelskende). Som forventet var de hydroxyl funktionaliserede porer mere vandgennemtrængelige (Figur 1A), men til gengæld var de hydrofobe porer mere selektive under højere tryk (Figur 1B).
Figur 1. A) Vandgennemtrængelighed igennem porer med to forskellige funktionelle grupper: blå romber – hydrogeneret porer, røde kvadrater – porer med hydroxyl grupper på. B) Saltafvisning vs. tryk, kurve for de to funktionaliserede porer.
Og hvis man sammenligner resultaterne med kommercielle membraner på markedet, klarer grafen nano-porer membranerne sig betydeligt bedre. Med salt filtrering helt i top er vandgennemtrængeligheden op til 100 gange bedre (Figur 2). Grafen membranerne vil således kunne reducere omkostningerne betydeligt for afsaltning af vandet.
Figur 2. Vandgennemtrængelighed og salt selektion. Sammenligning af membraner brugt til reverse osmosis for afsaltning af vandet sammen med nano-grafen membraner.
| Box 1. Reverse osmosis. I den almindelige osmose proces bevæger vandet sig fra et område med lav saltkoncentration til et område med høj saltkoncentration, igennem en semipermeabel membran. Osmose udligner saltkoncentrationen i de to områder men der skabes osmotisk tryk på membranen, der er nu mere opløsning i det ene kammer i forhold til det andet. I reverse osmosis bruger man trykket til at tvinge vandet igennem membran og dermed rense det fra saltet. | |
Cohen-Tanugi, D., and Grossman, J. C. (2012). Water desalination across nanoporous graphene. Nano Lett12(7), 3602-8.