Màng graphene oxit giảm chi phí năng lượng cho ngành công nghiệp giấy

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 đun sôi nước và tách nước khỏi hóa chất.

Tách nước bằng thiết bị bay hơi hiệu quả nhưng tiêu tốn năng lượng. Đây là vấn đề lớn 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 (1 quad = 10¹⁵ BTU) năng lượng mỗi năm để tái chế nước, nên đây là một trong những quy trình hóa chất sử dụng nhiều năng lượng nhất. 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.

Giải pháp thay thế là triển khai các màng lọc tiết kiệm năng lượng để tái chế nước thải từ quá trình nghiền bột giấy. Các màng polyme thường được thương mại trên thị trường trong nhiều thập kỷ qua, không duy trì được hoạt động 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.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Georgia đã tìm ra phương pháp thiết kế màng từ graphene oxit, vật liệu kháng hóa chất làm từ cacbon. Vì thế, màng có thể hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng công nghiệp.

GS. Sankar Nair, đồng tác giả nghiên cứu cho biết: “Graphene oxit có những đặc điểm đáng chú ý cho phép nước di chuyển qua màng nhanh hơn nhiều so với các màng thông thường. Tuy nhiên, vấn đề đặt ra là tìm cách để màng graphene oxit hoạt động trong điều kiện thực tế với nồng độ hóa chất cao cho phù hợp trong ngành công nghiệp". Nhóm nghiên cứu đã sử dụng các kỹ thuật chế tạo mới để kiểm soát cấu trúc vi mô của màng graphene oxit, giúp màng tiếp tục lọc nước hiệu quả ngay cả khi nồng độ hóa chất cao.

Để tạo ra cấu trúc mới, các nhà khoa học đã nảy ra ý tưởng kẹp các phân tử thuốc nhuộm thơm cỡ lớn vào giữa các tấm graphene oxit. Kết quả là các phân tử này tự liên kết chặt chẽ với các tấm graphene oxit theo nhiều cách, bao gồm cả việc xếp chồng các phân tử lên nhau. Từ đó tạo nên các khoảng trống giữa các tấm graphene oxit với các phân tử thuốc nhuộm đóng vai trò là các "trụ". Phân tử nước dễ dàng được lọc qua các khoảng hẹp giữa các trụ, trong khi các hóa chất trong nước bị chặn lại một cách có chọn lọc theo kích thước và hình dạng của chúng. Các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh vi cấu trúc màng theo chiều dọc và chiều ngang, cho phép kiểm soát cả chiều cao của các khoảng cách và không gian giữa các trụ.

Sau đó, nhóm nghiên cứu đã thử nghiệm màng lọc nano graphene oxit với nhiều dòng nước thải chứa hóa chất hòa tan. Kết quả là màng nano graphene oxit loại bỏ hóa chất theo kích thước và hình dạng ngay cả ở nồng độ cao. Cuối cùng, các nhà khoa học đã phát triển màng graphene oxit mới thành các tấm dài khoảng 1,2m và chứng minh màng có khả năng hoạt động trong dòng thải từ nhà máy giấy hơn 750 giờ.

Màng lọc nano graphene oxit có tiềm năng tiết kiệm chi phí năng lượng cho nhà máy giấy, tăng tính bền vững của ngành công nghiệp sản xuất giấy. GS. Nair cho rằng: “Màng lọc nano graphene oxit có thể tiết kiệm hơn 30% chi phí năng lượng để tách nước cho ngành công nghiệp giấy”.

N.P.D (NASATI), theo https://phys.org/news/2021-02-graphene-oxide-membranes-paper-industry.html, 22/2/2021