La industria de la pulpa y el papel de EE. UU. Utiliza grandes cantidades de agua para producir pulpa de celulosa a partir de árboles. El agua que sale del proceso de despulpado contiene una serie de subproductos orgánicos y químicos inorgánicos. Para reutilizar el agua y los productos químicos, Las fábricas de papel dependen de evaporadores alimentados con vapor que hierven el agua y la separan de los productos químicos.

La separación de agua mediante evaporadores es eficaz pero utiliza grandes cantidades de energía. Eso es significativo dado que Estados Unidos es actualmente el segundo mayor productor mundial de papel y cartón. Se estima que las aproximadamente 100 fábricas de papel del país utilizan alrededor de 0,2 quads (un cuádruple equivale a un billón de BTU) de energía por año para el reciclaje de agua. lo que lo convierte en uno de los procesos químicos de mayor consumo energético. Todo el consumo de energía industrial en los Estados Unidos en 2019 ascendió a 26,4 quads, según el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore.

Una alternativa es desplegar membranas de filtración energéticamente eficientes para reciclar las aguas residuales de la pulpa. Pero las membranas de polímero convencionales, disponibles comercialmente durante las últimas décadas, no pueden soportar el funcionamiento en las duras condiciones y las altas concentraciones químicas que se encuentran en las aguas residuales de pulpa y muchas otras aplicaciones industriales.

Los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia han encontrado un método para diseñar membranas hechas de óxido de grafeno (GO), un material químicamente resistente a base de carbono, para que puedan trabajar eficazmente en aplicaciones industriales.

"GO tiene características notables que permiten que el agua lo atraviese mucho más rápido que a través de membranas convencionales, "dijo Sankar Nair, profesor, Miembro de la facultad de Simmons, y presidente asociado de Industry Outreach en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech. "Pero una pregunta de larga data ha sido cómo hacer que las membranas GO funcionen en condiciones realistas con altas concentraciones químicas para que puedan volverse industrialmente relevantes".

Usando nuevas técnicas de fabricación, los investigadores pueden controlar la microestructura de las membranas GO de una manera que les permita continuar filtrando el agua de manera efectiva incluso a concentraciones químicas más altas.

La investigación, apoyado por el Instituto RAPID del Departamento de Energía de EE. UU., un consorcio industrial de empresas de productos forestales, y el Instituto de Bioproductos Renovables de Georgia Tech, se informó recientemente en la revista Sostenibilidad de la naturaleza . Muchas industrias que utilizan grandes cantidades de agua en sus procesos de producción pueden beneficiarse del uso de estas membranas de nanofiltración GO.

Nair, sus colegas Meisha Shofner y Scott Sinquefield, y su equipo de investigación comenzó este trabajo hace cinco años. Sabían que las membranas GO habían sido reconocidas durante mucho tiempo por su gran potencial en la desalinización, pero solo en un laboratorio. "Nadie había demostrado de forma creíble que estas membranas pueden funcionar en corrientes de agua industriales y condiciones de funcionamiento realistas, "Dijo Nair." Se necesitaban nuevos tipos de estructuras GO que mostraran un alto rendimiento de filtración y estabilidad mecánica mientras conservaban la excelente estabilidad química asociada con los materiales GO ".

Para crear estas nuevas estructuras, el equipo concibió la idea de intercalar grandes moléculas de colorante aromático entre las láminas de GO. Investigadores Zhongzhen Wang, Chen Ma, y Chunyan Xu encontraron que estas moléculas se unían fuertemente a las hojas de GO de múltiples maneras, incluyendo apilar una molécula sobre otra. El resultado fue la creación de espacios de "galería" entre las hojas GO, con las moléculas de tinte actuando como "pilares". Las moléculas de agua se filtran fácilmente a través de los estrechos espacios entre los pilares, mientras que los productos químicos presentes en el agua se bloquean selectivamente en función de su tamaño y forma. Los investigadores pudieron ajustar la microestructura de la membrana vertical y lateralmente, permitiéndoles controlar tanto la altura de la galería como la cantidad de espacio entre los pilares.

Luego, el equipo probó las membranas de nanofiltración GO con múltiples corrientes de agua que contienen sustancias químicas disueltas y mostró la capacidad de las membranas para rechazar sustancias químicas por tamaño y forma. incluso a altas concentraciones. Por último, ampliaron sus nuevas membranas GO a láminas de hasta 4 pies de largo y demostraron su funcionamiento durante más de 750 horas en un flujo de alimentación real derivado de una fábrica de papel.

Nair expresó su entusiasmo por el potencial de la nanofiltración de membranas GO para generar ahorros de costos en el uso de energía de las fábricas de papel, lo que podría mejorar la sostenibilidad de la industria. "Estas membranas pueden ahorrarle a la industria del papel más de un 30% en costos energéticos de separación de agua, " él dijo.