18:14
Покрытие из нитрида бора является ключевым ингредиентом в технологии гиперсалинового опреснения воды

Тонкое покрытие 2-D наноматериала гексагональным нитридом бора является ключевым ингредиентом в экономически эффективной технологии, разработанной инженерами Университета риса для опреснения рассола промышленной прочности.

Более 1,8 миллиарда человек живут в странах с дефицитом пресной воды. Во многих засушливых регионах морская вода или соленые грунтовые воды в изобилии, но их опреснение обходится дорого. Кроме того, многие отрасли промышленности платят высокие затраты на утилизацию сточных вод с высокой концентрацией солей, которые не могут быть обработаны с помощью традиционных технологий. Обратный осмос, наиболее распространенная технология опреснения, требует все большего и большего давления по мере увеличения содержания соли в воде и не может быть использован для обработки воды, которая является чрезвычайно соленой или гиперсалиновой.

Гиперсалиновая вода, которая может содержать в 10 раз больше соли, чем морская вода, становится все более важной проблемой для многих отраслей промышленности. Некоторые нефтяные и газовые скважины добывают его в больших объемах, например, и это побочный продукт многих технологий опреснения, которые производят как пресноводный, так и концентрированный рассол. Увеличение сознания воды во всех отраслях промышленности также является движущей силой, сказал Цилин ли из Райса, соавтор исследования о технологии опреснения риса, опубликованного в журнале Nature Nanotechnology.

"Это не только нефтяная промышленность",-сказал Ли, содиректор Центра нанотехнологической очистки воды на основе риса (NEWT). "Промышленные процессы, как правило, производят соленые сточные воды, потому что тенденция заключается в повторном использовании воды. Многие отрасли промышленности пытаются создать "замкнутые" системы водоснабжения. Каждый раз, когда вы восстанавливаете пресную воду, соль в ней становится более концентрированной. В конце концов сточные воды становятся гиперсалиновыми, и вам приходится либо опреснять их, либо платить за утилизацию."

Традиционная технология опреснения гиперсалинной воды имеет высокие капитальные затраты и требует обширной инфраструктуры. NEWT, Национальный научный фонд (NSF) Engineering Research Center (ERC) со штаб-квартирой в Инженерной школе Райса Брауна, использует последние достижения в области нанотехнологий и материаловедения для создания децентрализованных, пригодных для использования технологий для более эффективной очистки питьевой воды и промышленных сточных вод.

Одна из технологий Ньюта-это автономная система опреснения воды, которая использует солнечную энергию и процесс, называемый мембранной дистилляцией. Когда рассол течет через одну сторону пористой мембраны, он нагревается на поверхности мембраны фототермическим покрытием, которое поглощает солнечный свет и генерирует тепло. Когда холодная пресная вода течет через другую сторону мембраны, разница в температуре создает градиент давления, который гонит водяной пар через мембрану от горячей к холодной стороне, оставляя соли и другие нелетучие загрязняющие вещества позади.

Инженеры Университета Райса создали надежный нагревательный элемент для опреснения высококоррозионного рассола промышленной прочности, добавив защитное покрытие из двумерного наноматериала гексагонального нитрида бора к коммерчески доступной сетке из нержавеющей стали. Кредит: Kuichang Zuo / Университет Риса

Большая разница в температуре на каждой стороне мембраны является ключом к эффективности мембранного опреснения. В Солнечной версии технологии Ньюта, активированные светом наночастицы, прикрепленные к мембране, захватывают всю необходимую энергию от солнца, что приводит к высокой энергоэффективности. Ли работает с промышленным партнером NEWT над разработкой версии технологии, которая может быть использована в гуманитарных целях. Но одной неконцентрированной солнечной энергии недостаточно для быстрого опреснения гиперсалинового рассола, сказала она.

"Энергоемкость ограничена окружающей солнечной энергией", - сказал Ли, профессор гражданской и экологической инженерии. "Потребляемая энергия составляет всего один киловатт на квадратный метр, а скорость производства воды является медленной для крупномасштабных систем."

Добавление тепла к поверхности мембраны может привести к экспоненциальному увеличению объема пресной воды, который каждый квадратный фут мембраны может производить каждую минуту, мера, известная как поток. Но соленая вода очень агрессивна, и она становится более агрессивной при нагревании. Традиционные металлические нагревательные элементы быстро разрушаются, и многие неметаллические альтернативы работают немного лучше или имеют недостаточную проводимость.

"Мы действительно искали материал, который был бы очень электропроводным, а также поддерживал бы большую плотность тока, не подвергаясь коррозии в этой очень соленой воде", - сказал Ли.

Решение пришло от соавторов исследования Джун Лу и Пуликеля Аджаяна из отдела материаловедения и наноинженерии Райса (MSNE). Лу, Аджаян и Ньют постдокторские исследователи и соавторы исследования Куйчан Цзо и Вэйпэн Ван, а также соавтор исследования и аспирант Шуай Цзя разработали процесс покрытия тонкой сетки из нержавеющей стали тонкой пленкой гексагонального нитрида бора (hBN).

Сочетание химической стойкости и теплопроводности нитрида бора сделало его керамическую форму ценным активом в высокотемпературном оборудовании, но hBN, 2-D форма материала толщиной с атом, обычно выращивается на плоских поверхностях.

Спиральная дистилляционная мембранная система для опреснения гиперсалинового рассола. Свертывание системы в спираль продемонстрировало возможность принятия общего формата экономии пространства и фильтрации воды. Кредит: Kuichang Zuo / Университет Риса

"Это первый раз, когда это прекрасное покрытие hBN было выращено на неправильной, пористой поверхности", - сказал Ли. "Это вызов, потому что везде, где у вас есть дефект в покрытии hBN, вы начнете иметь коррозию."

Цзя и Ван использовали модифицированный метод химического осаждения из паровой фазы (CVD) для выращивания десятков слоев hBN на необработанной, коммерчески доступной сетке из нержавеющей стали. Эта методика расширила предыдущие исследования риса в области роста 2-D материалов на криволинейных поверхностях,которые были поддержаны центром атомарно-тонких многофункциональных покрытий, или ATOMIC. Атомный центр также находится в Райсе и поддерживается программой совместных исследований промышленности и университетов NSF.

Исследователи показали, что покрытие из проволочной сетки, толщина которой составляла всего около одной десятимиллионной метра, было достаточным для того, чтобы покрыть переплетенные провода и защитить их от агрессивных сил гиперсалинной воды. Покрытый проволочной сеткой нагревательный элемент был прикреплен к коммерчески доступной мембране из поливинилидендифторида, которая была свернута в спирально-намотанный модуль, компактную форму, используемую во многих коммерческих фильтрах.

В ходе испытаний исследователи питали нагревательный элемент напряжением на бытовой частоте 50 Герц и плотностью мощности до 50 киловатт на квадратный метр. При максимальной мощности система производила поток более 42 килограммов  на квадратный метр мембраны в час—более чем в 10 раз больше, чем окружающие технологии солнечной мембранной дистилляции—при энергоэффективности, значительно превышающей существующие технологии мембранной дистилляции.

Ли сказал, что команда ищет отраслевого партнера для расширения процесса нанесения покрытий CVD и производства более крупного прототипа для небольших полевых испытаний.

"Мы готовы заняться некоторыми коммерческими приложениями", - сказала она. "Масштабирование от лабораторного процесса до Большого 2-D листа CVD потребует внешней поддержки."

Похожие материалы:

Так же рекомендуем посмотреть:

Исследование: Длительный Космический Полет Влияет На Объем Мозга


Анализ показывает, что большинство рабочих мест в США просто не могут быть сделаны из дома


Можем ли мы действительно научиться жить с коронавирусом? Нет, пока у нас нет вакцины

Категория: Космос / Планеты / Технологии | Просмотров: 54 | Добавил: admin | Теги: пресная вода, вод, проволочная сетка, доступная сетка, Покрытие из нитрида бора является к, мембранная дистилляция, квадратный метр, гексагональный нитрид бора, морская вода, отрасль промышленности, промышленная, нагревательный элемент | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
avatar