אורנט זקוק לטיהור מים מתקדם

גישה למים לשתייה נקיים היא אחד האתגרים הדוחקים ביותר של המאה העשרים ואחת על פי ארגון הבריאות העולמי, מעל שני מיליארד אנשים חסרי גישה לשירותי מים מנוהלים בבטחה. Contaminants הנעים מחיידקים פתוגניים ווירוסים ל מתכות כבדות, חומרי הדברה, ומזהמים מתעוררים כמו שאריות תרופות מציבות סיכונים בריאותיים מסורתיים - כגון כלור, רתיחה, והדבקה רגילה - יש צורך באספקת חומרים חדשים, או ירידה משמעותית,

מה זה Graphene?

Graphene הוא שכבת אטומית אחת של אטומי פחמן מסודרים ב hexagonal, דבשcomb-like lattice. הראשון מבודד בשנת 2004 על ידי מדענים Andre Geim וקונסטנטין נובוסלב - עבודה שהרוויחה אותם פרס נובל בפיסיקה בשנת 2010 - graphene כבר נחקר באופן אינטנסיבי עבור תכונותיו יוצאות הדופן. A גיליון של גרפן הוא רק אחד עבה, אבל זה בערך 200 פעמים חזק יותר פלדה, במיוחד, הוא גרף ייחודי, כמו גם תכונות חום, במיוחד, כמו אלקטרוניקה, במיוחד, וקטורת, במיוחד, כמו קוסמטיקה, כמו קוסמטיקה, כמו גם תכונות מורכבות, כמו גם אלקטרוניקה, כמו גם אלקטרוניקה, כמו אלקטרוניקה מעולה, כמו גרף ייחודי, כמו גם אלקטרוניקה, כמו גם אלקטרוניקה, 000.

המפתח לפוטנציאל ההסתננות של גרפן שוכן במבנה שלו. A גרפן מושלם הוא בלתי אפשרי לכל המולקולות למעט פרוטונים, כלומר שאפילו מולקולות גז קטנות אינן יכולות לעבור דרך.עם זאת, על ידי הצגת נקבוביות ננומטריות או שימוש בחומרים קשורים כגון תחמוצת גרפן (GO), מדענים יכולים ליצור membranes כי אפילו מולקולות מים קטנות לא יכולות לעבור בזמן חסימת צינורות מדויקים של חומרים מגודל גרף.

כיצד פילטרים מבוססי Graphene-based Water filters Work

המונחים: wefiltration Fundamentals

מסננים מים מבוססי Graphene פועלים על העיקרון של FLT:0 nanofiltrationph 1, תהליך membrane המונע על ידי לחץ, בהגדרה טיפוסית, מים מאולץ תחת לחץ באמצעות גרפן דק או גרפן תחמוצת סגסוגת המכילה מערך של צינורות אורגניים.

סוגים של Graphene membranes

כמה תצורה של קרום מבוסס גרפן פותחה:

  • (FLT:0) גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף גרף (Pristine) עם נקבוביות מונדסות: 1Fuaph:1LT: A פגם גרף ללא פגם הוא חדיר באמצעות הפצצות יון, פיזור פלזמה, או חמצון כימי כדי ליצור חורים חד-חמצני.
  • (FLT:0Graphene oxide (GO) membranes:FLT:1 GO הוא צורה שונה מבחינה כימית של גרפן המכיל קבוצות פונקציונליות חמצן כגון הידרוקסיל, epoxy וקבוצות carboxyl. קבוצות אלה ליצור ספאריות של בערך 0.8-1.2 ננומטר כאשר גליונות GO מוערמים לתוך מנברי מים.
  • (FLT:0)Composite membranes:FreaLT:1 Graphene או GO ננוגליונים משולבים בפולימרים או קרמיקה תמיכה membranes. גישה זו משלבת את הסלקטיביות של גרפן עם העוצמה המכנית ואת האפקטיביות של חומרים membrane קונבנציונלי.comsite membranes הם לעתים קרובות יותר מדרגי וחסכוני עבור יישומים תעשייתיים.

תפקידה של הכימיה החיצונית

מעבר לאחות פיזית, גרפן תחמוצת membranes יכול להסיר contaminants באמצעות אינטראקציות אלקטרוסטטי ומודעות. קבוצות פונקציונליות חמצן על גליונות GO למשוך ions מתכת כבד כגוןעופרת, קדמיום, ואסרניק. בדומה, האזור הגדול של גרפן - מעל 2,600 מטרים רבועים לגרם - מספק אתרים מורכבים עבור חומרים אורגניים וצבעים.

היתרונות של גרפן מסננים

הסתברות בלתי מקבילה

(ה) גפן ממברנס יכול להשיג שיעורי הסרת מעל 99.9% למגוון רחב של של מזהמים, כולל חיידקים (למשל, FLT:0E. colicioFLT:1, FLT:2Salmonellaphapha FLT 3), וירוסים (למשל, rotavirus, norovirus), מתכות כבדות (למשל, להוביל, כספית, כ"כ 85%) יש צורך במיקרומטריה רגילה, כדי להשיג טיפול כימי, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 רחב יותר מאשר חומרים כימיים קשים, 000, 000, 000, 000, 000, 000.

מים גבוהים

מכיוון שהשכבה הפעילה של גרפן היא דקה מבחינה אטומית, מים נתקלים בהתנגדות מינימלית כפי שהיא עוברת דרך. Graphene membranes יכול להציג ערכי פלוקס מים כמה פקודות של גודל גבוה יותר מאשר קרום פולימרים קונבנציונלי בגודל של גודל דומה.זה אומר כי עבור לחץ נתון ומרחב membrane, מסנן גרפן גרפין יכול לייצר מים נקיים יותר לזמן יחידת, צמצום צריכת האנרגיה והציוד בתנאים מעשיים, תרגם ליחידות לחץ קטן יותר.

אפשרויות ותוחלת חיים ארוכה

Graphene הוא חזק במיוחד ויציב מבחינה כימית.בניגוד ל-Membranes פולימרי שיכול לחדור תחת חשיפה ממושכת לכלורין, או חמצון אחרים, או תנאי pH קשים, חומרים המבוססים על גרפן עמידים מאוד להתקפה כימית.התנגדות זו מפחיתה את תדירות החלפת membrane ותחת עלויות תפעול ארוכות טווח.

משקל אור וקומפקטי עיצוב

הדקות והעוצמה של גרפן משמעות כי קרום סינון ניתן להפוך קומפקטי מאוד. אלמנט מסנן מבוסס גרפן יכול להיות הרבה פעמים דק יותר מאשר מודול ספירלה רגיל או משולש דמוי חלול תוך השגת ביצועים שווים או טובים יותר. קומפקטיות זו פותחת אפשרויות עבור ממריצים מים ניידים שניתן לשאת תרמילאים, משולבים לתוך מים, או פרוסים בערכת חירום.

צריכת אנרגיה נמוכה

מכיוון שמנברנות גרפן דורשת לחץ תפעולי נמוך יותר כדי להשיג את אותו פלוקס, האנרגיה הדרושה כדי להניע את תהליך ההסתננות מופחתת.עבור מערכות עתירות כוח הכבידה או נמוכות - כגון אלה המשמשים בקהילות כפריות ללא תשתיות חשמל - יעילות האנרגיה הזו היא קריטית.אפילו בהתקנה עירונית או תעשייתית בקנה מידה גדול, האנרגיה המופחתה יכולה להוביל לחיסכון תפעולי משמעותי.

עלויות-אווירה לאורך זמן

למרות העלות הראשונית של ייצור גרפן יכול להיות גבוה יותר מאשר של חומרים קרום קונבנציונלי, השילוב של תוחלת חיים ארוכה יותר, צריכת אנרגיה נמוכה, תחזוקה מופחתת עושה מסננים גרפן עלות תחרותי במהלך חייהם התפעוליים. כמו תהליכי ייצור גרפן ממשיכים לעלות ולשפר, עלויות עלייה קדימה צפויים לרדת עוד יותר, מה שהופך את המסננים האלה נגישים למגוון רחב יותר של משתמשים.

דרישות גלובליות ויישומים אמיתיים

נקודת המוצא של הבית

מסנני גרפן גרף משולבים לשימוש ביתי, במיוחד באזורים המתפתחים שבהם טיפול במים מרכזי אינו זמין. מסנן קטן, מבוסס מחסני המכיל membrane גרפן יכול להיות מחובר למערכת של כובד ראש, מתן משפחה עם כמה ליטר מים נקיים ליום ללא צורך חשמל או ארגוני תחזוקה מורכבים.

חירום ואסון הקלה

בעקבות אסונות טבע - יחידות סינון אוויריות, שיטפונות, הוריקנים - גישה למים בטוחים לשתייה לעתים קרובות משבשת.קומפקטיות גרף גרפן יכולות להיות מרופפות במהירות או מבוצעות על ידי עובדי הקלה כדי לספק מים נקיים מיידיים.העיצוב הקל משקל וגבוהים גורמים להם להתאים לבתי חולים בתחום הנייד, מחנות פליטים והתנחלויות זמניות מסוימות יכולות לסנן מים ממקורות מזוהמים כגון נהרות, אפילו מים מקרקעים.

טיפול במים עירוניים

עבור יישומים בקנה מידה גדול יותר, קרוטן membranes ניתן לשלב בתוך צמחי טיפול במים עירוניים קיימים. חוקרים לחקור את השימוש במודולים ספירליים המכילים גלידות מבוסס גרפן לטיפול טריטרי או desalination. כי קרוטן membranes יכול להשיג דחייה גבוהה של סטיות מונו-ערך, הם מקיימים הבטחת ירידה באנרגיה נמוכה של אנרגיה נמוכה, פוטנציאל להפחית את העלות של המרת ים למים לתוך השמש, כמו סין, כמו בדיקות גרפיט.

טיפול תעשייתי

תעשיות המייצרות מים פסולת המכילים מתכות כבדות, צבעים, פותרים, או אחרים contaminants יכול ליהנות מדמיון filtration גבוה של filtration וקיבולת.לדוגמה, מתקני טקסטיל הם הערכה של מזכרי גרף גרף חמצן כדי לשחזר צבעים ותהליך נקי, צמצום צריכת מים וזיהום סביבתי.

מים חקלאיים

בחקלאות, מים נקיים דרושים לשקיה, בעלי חיים ועיבוד מזון.הפילטרים של Graphene יכולים לטפל בריצה חקלאית, מים משפכים ממוחזרים, או מי קרקעי מבהיל, מה שהופך יותר מים זמינים לייצור יבול.דרישות האנרגיה הנמוכות הן בעלות ערך במיוחד עבור מערכות משאבה המופעלות על ידי השמש או מחוץ לדלפקידי שימוש בחוות מרוחקות.

אתגרים לOvercome

ייצור סקאלה ויציבות

הפחתת גודל, גרפן ללא פגם בעלות סבירה נשאר אתגר טכני גדול.שיטות כגון פיזור כימי (CVD) יכול לייצר גליונות גרפן באיכות גבוהה, אבל העברתם על ⁇ תומך ללא דמעה או wrinkling הוא קשה. Graphene oxide membranes קל יותר כדי לייצר פתרון באמצעות ליצוק או טפטציה, אבל השפעה על גודל סגסוגת עם גודל סגסוגת מוגבלת, 000.

Membrane Fouling

כל membranes סינון רגישים לטעייה - הצטברות של contaminants על פני השטח membrane או בתוך ה pores שלה, אשר מפחית פלוקס מים ו degrads ביצועים הפרדה לאורך זמן. Graphene membranes אינם חסינים.חומר אורגני, biopolymers, מינרליים biofilms microbial יכול לדבוק משטח גרפן, ו-Ficreicreicretraing אסטרטגיות חשוף.

יציבות לטווח ארוך והזדקנות

הביצועים ארוכי הטווח של קרוטן מברנס תחת תנאי תפעול בעולם האמיתי עדיין מוערכים.חשיפה לכלור, אוזון, אור UV, לחץ גבוה, וטמפרטורות משתנות עלולות לגרום לשינויים הדרגתיים במבנה membrane או כימיה על פני השטח. Graphene oxide, במיוחד, יכול לעבור הפחתה או הידרוליזה לאורך זמן, שינוי הסחוסההה הבין-שכבות שלה ובחירתיות על פני מערכות טכנולוגיות הכרחיות, הם צורך, עייפות מכנית, וחיזוי של פעילות מכנית, וחיזוי של פעילות מכנית, וגמישות, וחיזוי של פעילות מכנית, וחיזוי של פעילות מכנית, וגמישות, וחיזוי של פעילות מכנית, וחיזוי של פעילות מכנית, וחיזוי של פעילות מכנית, וחיזוי של פעילות מכנית, וחיזוי במשך שנים, וגמישות, וחיזוי, וגמישות, וגמישות, וגמישות, וחיזוי, הן שיטות טיפולית, הן שיטות טיפולית, וחיזוי, וחיזוי, הן שיטות טיפולית, וחיזוי, הן הכרחי, הן שיטות טיפול כימיות, הן שיטות טיפולית, הן עייפות יעילה, הן יעילות, במיוחד, כלומר, כדי להבטיח טיפול כימיות, טיפול פסיכולוגיות, כדי להבטיח שימוש יעיל.

אחריות כלכלית

למרות הפוטנציאל לחיסכון בעלויות לטווח ארוך, העלות הראשונית של מערכות סינון גרפין יכול להיות אוסר על קהילות רבות וארגונים קטנים.עלות הייצור גרפן באיכות גבוהה - במיוחד באיכות גבוהה של גרגרנים מפוכחים - נשאר גבוה משמעותית מאשר חומרים מזכרים קונבנציונליים כמו פולימיד או פוליסולון.

שיקול דעת ובריאות

מכיוון שחומרים מבוססי גרפן הם חדשים יחסית ביישומים לטיפול במים, מסגרות רגולטוריות לאישורם וההסמכה שלהם עדיין מתפתחים. שאלות לגבי שחרור פוטנציאלי של חלקיקים גרפן למים מטופלים ואפקטי הבריאות שלהם צריכים להיות מטופלים ביסודיות. בעוד גרפן נחשב בדרך כלל לא עקבי, מחקרים רעילים ארוכי טווח נדרשים כדי להבטיח כי אין כמויות מזיקות של גרפן או על ידי מוצריו לשתייה.

מחקר ודרכים מתפתחות

תחום סינון המים של גרפן מתקדם במהירות, עם מאות קבוצות מחקר ברחבי העולם תורמים חומרים חדשים, עיצובים ותובנות. אזורי מפתח של חקירה פעילה כוללים:

  • (FLT:0) הנדסת חשמל:001 (Precisely control the size, צפיפות וגיאומטריה של נקבובים בגרפן פריזטין באמצעות לימוזינה מתקדמת, הפצצות ion, או שיטות כימיות כדי להשיג סלקטינות מותאמים עבור contaminants ספציפיים.
  • (FLT:0Functional GO membranes: ibFLT:1) שילוב בין קישורים צלביים, מסגרות אורגניות מתכת, או פולימרים כדי לכוון בין שכבות, לשפר את היציבות, ולאפשר פונקציונליות נוספת כגון פעילות אנטיבקטריאלית או פוטו-קטליטית.
  • (FLT:0) מערכות רב-שכבות מרובות: ⁇ 1 (שלב קרום גרפן עם טכנולוגיות נפרדות אחרות - כגון אוסמוזה הפוכה, אוסמוזה קדימה, או דיברציה מנברית - כדי ליצור רכבות טיפול משולבות שענות אתגרים מורכבים באיכות המים.
  • (FLT:0)Bio-inspired ו- self-cleaning membranes: ⁇ 1: Mimicking מבנים טבעיים כמו אקוופרין או עלים כדי להשיג הן גבוה חדירות ושפל נמוך. חלק מהעיצובים משלבים חומרים רציפים שמשנים תכונות פני השטח בתגובה ל- pH, טמפרטורה או אור, המאפשרים ניקוי-ביקוש.
  • (FLT:0) מחאות טייס בקנה מידה: FIRLT:1 נעים מעבר לאבטיפוס מעבדה ניסויים שדה ותחנות טייס מסחריות. מספר חברות, כולל Graphene Water Technologies ו-Nano Sun המבוסס על מנצ'סטר, פועלים על מסחר קרומברנס גרפן עבור יישומים עירוניים ותעשייתיים.

מקורות כגון:0) מחקר מסד נתונים של מחקר טבע (FLT:0) ו-(FLT:2US EPA מחקר פורטל מחקר מים EPA EPA: לספק עדכונים שוטפים על הממצאים האחרונים ועל ההתפתחויות הרגולטוריות.

מסקנה

מערכות סינון מים מבוססות Graphene מייצגות פריצת דרך אמיתית בחיפוש אחר מים בטוחים, סבירים, וזמין באופן אוניברסלי, על ידי שילוב של תכונות פיזיות וכימיקליות יוצאות דופן של גרפן עם עקרונות של ננומטרה, membranes אלה יכולים להסיר ספקטרום רחב של מקהלות מים עם יעילות גבוהה, שימוש באנרגיה נמוכה, וחיים תפעוליים ארוכים יותר, עם הפגנות מעשיות, תוך שיפור משמעותי של שיטות ניתוחי תנועה יעילה יותר, אך ורקמות, תוך שיפור יעיל יותר של פעילות גופנית, אך יעיל יותר, תוך שיפור יעיל יותר, תוך כדי שיפור יעיל יותר, תוך שיפור יעיל יותר, כמו גם ממעבדות גבוהה של פעילות גופנית, כמו גם גרף יעיל יותר, כמו גם ממעבדות טיפול סטנדרטית גרף יעיל יותר, כמו גם גרף יעיל יותר, אך יעיל יותר, אך יעיל יותר, כמו גם טיפול תרופתי, כמו גם גרף יעיל יותר, אך יעיל יותר, כמו גם.