Màng lọc chất lỏng cải thiện hệ thống lọc nước thải công nghiệp
Nghiên cứu mới này chứng minh rằng hệ thống lọc LGM có thể giảm chi phí và tiêu thụ điện của các quá trình công nghiệp có tác động cao như khoan dầu khí.
Màng lỏng gated (màu trắng, bên trái) cung cấp giải pháp lọc tiết kiệm năng lượng và ít tốn kém hơn để lọc các chất từ chất lỏng, bao gồm các bề mặt xốp, được phủ đặc biệt ( bên phải, hình ảnh SEM) chống lại sự tích tụ và có thể được điều chỉnh để cho phép các hạt có kích thước cụ thể đi qua.
Lọc và xử lý nước, cả cho tiêu dùng của con người và để làm sạch nước thải công nghiệp và đô thị, chiếm khoảng 13% tổng lượng điện tiêu thụ ở Mỹ mỗi năm và giải phóng khoảng 290 hàng triệu tấn CO2 vào khí quyển hàng năm - tương đương với trọng lượng tổng cộng của mỗi con người trên trái đất.
Một trong những phương pháp xử lý nước phổ biến nhất là đẩy nước qua màng với các lỗ rỗng có kích thước nhất định để lọc ra các hạt lớn hơn các phân tử nước. Tuy nhiên, các màng này dễ bị "bẩn", hoặc tắc nghẽn bở các vật chất được lọc khỏi dòng nước, đòi hỏi nhiều điện hơn để đẩy nước qua một phần màng bị tắc và thay thế màng thường xuyên, cả hai đều làm tăng chi phí xử lý nước.
Nghiên cứu mới từ Viện Kỹ thuật tại Đại học Harvard và các cộng tác viên tại Đại học Northeastern và Đại học Waterloo chứng minh rằng màng lọc lỏng của Wyss ( LGMs) lọc các hạt ra khỏi nước với hiệu suất cao hơn gấp đôi, gần gấp ba lần thời gian dài hơn, và giảm áp suất cần thiết để lọc qua màng thông thường , Đưa ra một giải pháp có thể làm giảm chi phí và tiêu thụ điện của các quá trình công nghiệp có tác động cao như khoan dầu khí. Nghiên cứu được báo cáo trong tài liệu APL.
“Đây là nghiên cứu đầu tiên chứng minh rằng LGM có thể đạt được sự lọc bền vững trong các thiết lập tương tự như trong ngành công nghiệp nặng và cung cấp thông tin chi tiết về cách LGM chống lại các loại khác nhau ô nhiễm, có thể dẫn đến việc sử dụng chúng trong một loạt các thiết lập xử lý nước, ”tác giả đầu tiên Jack Alvarenga, một nhà khoa học nghiên cứu tại Viện Wyss cho biết.
LGM bắt chước việc sử dụng các lỗ rỗng chứa chất lỏng để kiểm soát sự dịch chuyển của chất lỏng, khí và các hạt thông qua các bộ lọc sinh học sử dụng lượng năng lượng thấp nhất có thể, giống như các lỗ khí nhỏ hở trong lá cây cho phép khí đi qua. Mỗi LGM được phủ một chất lỏng hoạt động như một cổng đảo ngược, làm đầy và bít kín lỗ rỗng ở trạng thái “đóng”. Khi áp suất xuất hiện ở màng, chất lỏng bên trong lỗ rỗng được kéo về hai bên, khiến ra lỗ rỗng mở và lỗ rỗng có thể được điều chỉnh để cho phép chất lỏng hoặc khí đi qua và lỗ rỗng chống bẩn do bề mặt trơn trượt của lớp chất lỏng. Việc sử dụng các lỗ rỗng lót chất lỏng cũng cho phép tách một hợp chất đích từ hỗn hợp các chất khác nhau, mà là phổ biến trong xử lý chất lỏng công nghiệp.
Nhóm nghiên cứu đã quyết định thử nghiệm LGM của họ trong việc lọc sét bentonit trong nước, vì các giải pháp “nanoclay” này bắt chước nước thải được tạo ra bởi các hoạt động khoan trong ngành dầu khí . Họ làm ngấm các đĩa 25 mm của màng lọc tiêu chuẩn với perfluoropolyether, một loại chất bôi trơn lỏng đã được sử dụng trong ngành công nghiệp hàng không vũ trụ trong hơn 30 năm, để chuyển đổi chúng Vào LGM. Sau đó, họ đặt LGM dưới áp lực để hút nước qua lỗ chân lông nhưng để lại các hạt nano phía sau, và so sánh hiệu suất của chúng với các màng không được xử lý.
Các màng không được xử lý hiển thị các dấu hiệu của sự nhiễm bẩn nanoclay nhanh hơn nhiều so với LGM và LGM có thể lọc nước gấp 3 lần so với màng tiêu chuẩn trước khi yêu cầu “ Phương pháp rửa ngược ”để loại bỏ các hạt tích tụ trên màng. Việc rửa ngược ít thường xuyên có thể làm giảm việc sử dụng hóa chất làm sạch và năng lượng cần thiết để bơm nước rửa ngược Và cải thiện tốc độ lọc trong các thiết lập xử lý nước công nghiệp.
Đến khi LGM xuất hiện hiện tượng nghẽn màng, chúng vẫn chứng tỏ khả năng giảm 60% lượng nanoclay tích lũy trong cấu trúc của chúng trong quá trình lọc. Lợi thế này mang lại cho LGM tuổi thọ dài hơn và làm cho nhiều dịch lọc hơn có thể phục hồi để sử dụng thay thế. Ngoài ra, LGM yêu cầu áp suất ít hơn 16% để bắt đầu quá trình lọc, phản ánh tiết kiệm năng lượng hơn nữa.
“LGM có tiềm năng sử dụng trong các ngành công nghiệp đa dạng như chế biến thực phẩm và đồ uống, sản xuất dược phẩm sinh học, dệt may, giấy, bột giấy, hóa chất và hóa dầu, và có thể cung cấp cải tiến trong sử dụng năng lượng và hiệu quả trên một phạm vi rộng các ứng dụng công nghiệp, ”tác giả Joanna Aizenberg, tiến sĩ, một thành viên khoa sáng lập cốt lõi của Wyss Viện và Amy Smith Berylson Giáo sư Khoa học Vật liệu tại Trường Kỹ thuật Ứng dụng và Khoa học Ứng dụng John A. Paulson của Harvard (SEAS) cho biết.
Các bước tiếp theo của nhóm nghiên cứu bao gồm nghiên cứu thử nghiệm quy mô lớn hơn với các đối tác trong ngành, hoạt động lâu dài của LGM và lọc các hỗn hợp phức tạp hơn của các chất . Những nghiên cứu này sẽ cung cấp thông tin chi tiết về khả năng tồn tại thương mại của LGM cho các ứng dụng khác nhau và thời gian chúng sẽ kéo dài trong một số trường hợp sử dụng.
“Khái niệm sử dụng chất lỏng để giúp lọc các chất lỏng khác có lẽ không rõ ràng đối với chúng ta nhưng đó là điều phổ biến trong tự nhiên. Thật tuyệt vời khi thấy cách tận dụng sự đổi mới của thiên nhiên theo cách này có khả năng dẫn đến tiết kiệm năng lượng rất lớn, ”Giám đốc sáng lập của Wyss Donald Ingber, MD, Ph.D., cho biết.
Các tác giả khác của bài báo bao gồm Yuki Ainge từ Đại học Northeastern; Chris Williams và Aubrey Maltz từ Đại học Waterloo; và Tom Blough, MSCS và Mughees Khan, Ph.D. từ Viện Wyss tại Đại học Harvard.
Nghiên cứu này được hỗ trợ bởi ARPA-E và Quỹ khoa học quốc gia.