เมมเบรนเขาวงกต

นับตั้งแต่การค้นพบในปี 2547 กราฟีนได้รับการขนานนามว่าเป็น supermaterialโดยมีการใช้งานที่หลากหลายตั้งแต่ตัวนำยิ่งยวดไปจนถึงการป้องกันลิ่มเลือด ( SN: 10/3/15, p. 7 ; SN Online: 2/11/14 ) แผ่นกราฟีนแต่ละแผ่นเป็นชั้นอะตอมของคาร์บอนที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียวที่จัดเรียงเป็นตะแกรงรังผึ้ง เจฟฟ์ กรอสแมน นักวิทยาศาสตร์ด้านวัสดุของ MIT กล่าวว่า กราฟีนเป็นเมมเบรนกรองน้ำทะเลตามสมมุติฐาน และมีความทนทานต่อน้ำที่ไหลผ่านเพียงเล็กน้อย

QUIQUE KIERSZENBAUM / MCT ผ่าน GETTY IMAGES

โรงกลั่นน้ำทะเล (ด้านบน) สูบน้ำเค็มผ่านท่อที่เติมเมมเบรนที่แรงดันสูง ในแต่ละท่อ (ด้านล่าง) น้ำจะกดทับวัสดุที่มีรูพรุนเป็นชั้นๆ ที่ม้วนขึ้น ซึ่งช่วยให้โมเลกุลของน้ำผ่านเข้าไปในท่อรวบรวมได้ในขณะที่ปฏิเสธเกลือ ก่อนกำจัด น้ำเสียเค็มที่เหลือจะถูกใช้เพื่อเพิ่มแรงดันน้ำเค็มที่ไหลเข้ามา 

กราฟีนบริสุทธิ์มีราคาแพงและยากต่อการผลิตในแผ่นขนาดใหญ่ ดังนั้นกรอสแมน เดฟ และเพื่อนร่วมงานจึงหันมาใช้กราฟีนออกไซด์ทางเลือกที่ถูกกว่า อะตอมของคาร์บอนในกราฟีนออกไซด์ล้อมรอบด้วยอะตอมของออกซิเจนและไฮโดรเจน

อะตอมส่วนเกินเหล่านี้ทำให้กราฟีนออกไซด์ “ยุ่งเหยิง” ซึ่งช่วยขจัดคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าที่เป็นเอกลักษณ์ของวัสดุจำนวนมาก “แต่สำหรับเมมเบรน เราไม่สนใจ” กรอสแมนกล่าว “เราไม่ได้พยายามใช้กระแสไฟฟ้าไหลผ่าน เราไม่ได้พยายามใช้คุณสมบัติทางแสงของมัน เราแค่พยายามสร้างวัสดุบาง ๆ ที่เราสามารถเจาะรูเข้าไปได้”

นักวิจัยเริ่มต้นด้วยเกล็ดกราฟีนที่ลอกออกจากก้อนกราไฟต์ ซึ่งเป็นรูปแบบของคาร์บอนที่พบในไส้ดินสอ นักวิจัยระงับเกล็ดกราฟีนออกไซด์ซึ่งทำได้ง่ายและราคาถูกในของเหลว เมื่อสุญญากาศดูดของเหลวออกจากภาชนะ สะเก็ดจะก่อตัวเป็นแผ่น นักวิจัยผูกสะเก็ดเข้าด้วยกันโดยเพิ่มสายโซ่ของอะตอมคาร์บอนและออกซิเจน โซ่เหล่านั้นจับและเชื่อมสะเก็ดกราฟีนออกไซด์ ก่อตัวเป็นเขาวงกตของชั้นที่เชื่อมต่อถึงกัน ความยาวของโซ่เหล่านี้ได้รับการปรับอย่างละเอียดเพื่อให้ช่องว่างระหว่างสะเก็ดนั้นกว้างเพียงพอสำหรับโมเลกุลของน้ำ แต่ไม่ใช่โมเลกุลเกลือที่ใหญ่กว่า ที่จะผ่านเข้าไปได้

ทีมงานสามารถสร้างแผ่นกราฟีนออกไซด์ที่เหมือนกระดาษ

ได้หลายเซนติเมตร แม้ว่าเทคนิคนี้ควรจะขยายขนาดให้เหลือขนาดประมาณ40 ตารางเมตรที่บรรจุอยู่ในท่อแยกเกลือออกจากน้ำทะเลแต่ละท่อได้อย่างง่ายดาย Dave กล่าว นอกจากนี้แผ่นยังอยู่ภายใต้ความกดดัน “เราไม่ใช่กลุ่มวิจัยเพียงกลุ่มเดียวที่ใช้การกรองสูญญากาศเพื่อประกอบเมมเบรนจากกราฟีนออกไซด์” เธอกล่าว “แต่เมมเบรนของเราจะไม่แตกสลายเมื่อสัมผัสกับน้ำ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับการกรองน้ำ”

ความบางของเยื่อกราฟีนออกไซด์ทำให้โมเลกุลของน้ำผ่านได้ง่ายขึ้นมาก เมื่อเทียบกับโพลีเอไมด์ที่มีเทอะทะ ซึ่งช่วยลดพลังงานที่จำเป็นในการสูบน้ำผ่านพวกมัน กรอสแมน เดฟ และเพื่อนร่วมงานประเมินการประหยัดต้นทุนของเมมเบรนที่ซึมผ่านได้สูงในปี 2557 ในบทความ ด้านวิทยาศาสตร์ พลังงานและสิ่งแวดล้อม การแยกเกลือออกจากน้ำบาดาลจะใช้พลังงานน้อยลง 46 เปอร์เซ็นต์ การแปรรูปน้ำทะเลที่เค็มกว่าจะใช้น้อยกว่าร้อยละ 15 แม้ว่าความต้องการพลังงานของโปรโตประเภทใหม่จะยังไม่ได้รับการทดสอบ

จนถึงตอนนี้ เยื่อใหม่มีความทนทานเป็นพิเศษ กรอสแมนกล่าว “เยื่อกราฟีนออกไซด์ต่างจากโพลีเอไมด์ตรงที่ทนทานต่อสารเคมีทำความสะอาดที่สำคัญ เช่น คลอรีน และทนต่อสภาพแวดล้อมทางเคมีที่รุนแรงและที่อุณหภูมิสูง” ด้วยความต้องการพลังงานที่ต่ำกว่าและไม่จำเป็นต้องกำจัดและเปลี่ยนคลอรีนจากแหล่งน้ำ เยื่อแผ่นใหม่อาจเป็นวิธีแก้ปัญหาหนึ่งในการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล

นักวิจัยได้ผลิตแผ่นกราฟีนออกไซด์ (บนสุด) ซึ่งทำหน้าที่เป็นเยื่อกรองน้ำทะเล แต่ละแผ่นมีเกล็ดกราฟีนออกไซด์จำนวนมาก (ด้านล่าง) เชื่อมโยงเข้าด้วยกัน

เอส. เดฟ/MIT

ในปริมาณมาก เยื่อกราฟีนออกไซด์อาจใช้งานได้ในเชิงเศรษฐกิจ Dave คาดการณ์ ในระดับมาก เธอประมาณการว่าการผลิตเยื่อกราฟีนออกไซด์จะมีราคาประมาณ 4 ถึง 5 ดอลลาร์ต่อตารางฟุต ซึ่งไม่แพงกว่าโพลีเอไมด์อย่างมากเมื่อพิจารณาถึงประโยชน์อื่นๆ พืชที่มีอยู่สามารถเปลี่ยนเป็นเยื่อกราฟีนออกไซด์ได้เมื่อจำเป็นต้องเปลี่ยนเยื่อแผ่นใยสังเคราะห์แบบเก่า ซึ่งทำให้ค่าใช้จ่ายในการอัพเกรดลดลงไปประมาณ 10 ปี Dave กล่าว ขณะนี้ทีมงานกำลังจดสิทธิบัตรวิธีการทำเมมเบรนแม้ว่านักวิจัยคิดว่าจะใช้เวลาอีกสองสามปีกว่าที่เทคโนโลยีจะสามารถใช้งานได้ในเชิงพาณิชย์

Nikolay Voutchkov กรรมการบริหารของ Water Globe Consulting บริษัทที่ให้คำแนะนำแก่อุตสาหกรรมและเทศบาลเกี่ยวกับโครงการแยกเกลือออกจากน้ำทะเล กล่าวว่า “เราอยู่ในจุดที่เราต้องการการก้าวกระโดดแบบควอนตัม ซึ่งสามารถทำได้โดยโครงสร้างเมมเบรนใหม่ การทำงานกับกราฟีนออกไซด์ “เป็นวิธีหนึ่งที่ทำได้”

วัสดุอื่น ๆ ก็กำลังแข่งขันกันที่จะเป็นผู้สืบทอดของโพลีเอไมด์ นักวิจัยกำลังทดสอบท่อนาโนคาร์บอน โครงสร้างคาร์บอนทรงกระบอกเล็ก ๆ เป็นเยื่อกรองน้ำทะเล วัสดุใดที่ชนะ “จะลดลง” Voutchkov กล่าว แม้ว่ากราฟีนออกไซด์หรือเมมเบรนอื่นๆ จะประหยัดเงินในระยะยาว แต่ค่าใช้จ่ายล่วงหน้าที่สูงจะทำให้วัสดุเหล่านี้น่าสนใจน้อยลง

นอกจากนี้ เยื่อใหม่เหล่านั้นไม่สามารถแก้ปัญหาการแยกเกลือออกจากเกลือได้ในพื้นที่ที่มีการพัฒนาน้อย ค่าใช้จ่ายในการสร้างโรงงานขนาดใหญ่และสูบน้ำจืดในระยะทางไกลทำให้การแยกเกลือออกจากน้ำทะเลมีขายยากในแถบชนบทของแอฟริกาและในที่อื่นๆ ที่ขาดแคลนน้ำ สำหรับสถานที่ที่ยากต่อการเข้าถึง นักวิทยาศาสตร์กำลังคิดเพียงเล็กน้อย

credit : sweetdivascakes.com sweetlifewithmary.com sweetretreatbeat.com sweetwaterburke.com tenaciouslysweet.com thegreenbayweb.com thetrailgunner.com titanschronicle.com tjameg.com travel-irie-jamaica.com