L'industria della cellulosa e della carta degli Stati Uniti utilizza grandi quantità di acqua per produrre polpa di cellulosa dagli alberi. L'acqua che esce dal processo di spappolamento contiene una serie di sottoprodotti organici e sostanze chimiche inorganiche. Per riutilizzare l'acqua e i prodotti chimici, le cartiere si affidano a evaporatori alimentati a vapore che fanno bollire l'acqua e la separano dalle sostanze chimiche.

La separazione dell'acqua tramite evaporatori è efficace ma utilizza grandi quantità di energia. Questo è significativo dato che gli Stati Uniti sono attualmente il secondo produttore mondiale di carta e cartone. Si stima che le circa 100 cartiere del paese utilizzino circa 0,2 quad (un quad è un quadrilione di BTU) di energia all'anno per il riciclaggio dell'acqua, rendendolo uno dei processi chimici più energivori. Tutto il consumo di energia industriale negli Stati Uniti nel 2019 è stato di 26,4 quad, secondo il Lawrence Livermore National Laboratory.

Un'alternativa consiste nell'utilizzare membrane di filtrazione ad alta efficienza energetica per riciclare le acque reflue del macero. Ma le membrane polimeriche convenzionali, disponibili in commercio negli ultimi decenni, non sono in grado di resistere al funzionamento in condizioni difficili e alle alte concentrazioni chimiche presenti nelle acque reflue di macero e in molte altre applicazioni industriali.

I ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno scoperto un metodo per ingegnerizzare membrane realizzate con ossido di grafene (GO), un materiale chimicamente resistente a base di carbonio, in modo che possano funzionare efficacemente nelle applicazioni industriali.

"GO ha caratteristiche notevoli che consentono all'acqua di attraversarlo molto più velocemente rispetto alle membrane convenzionali, " disse Sankar Nair, professoressa, Simmons membro di facoltà, e presidente associato per Industry Outreach presso la Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Ma una domanda di vecchia data è stata come far funzionare le membrane GO in condizioni realistiche con alte concentrazioni chimiche in modo che possano diventare rilevanti a livello industriale".

Utilizzando nuove tecniche di fabbricazione, i ricercatori possono controllare la microstruttura delle membrane GO in modo da consentire loro di continuare a filtrare l'acqua in modo efficace anche a concentrazioni chimiche più elevate.

La ricerca, sostenuto dal Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti-RAPID Institute, un consorzio industriale di aziende di prodotti forestali, e il Renewable Bioproducts Institute di Georgia Tech, è stato riportato di recente sulla rivista Sostenibilità della natura . Molte industrie che utilizzano grandi quantità di acqua nei loro processi di produzione potrebbero trarre vantaggio dall'utilizzo di queste membrane di nanofiltrazione GO.

Naro, i suoi colleghi Meisha Shofner e Scott Sinquefield, e il loro gruppo di ricerca ha iniziato questo lavoro cinque anni fa. Sapevano che le membrane GO erano state riconosciute da tempo per il loro grande potenziale nella desalinizzazione, ma solo in un ambiente di laboratorio. "Nessuno aveva dimostrato in modo credibile che queste membrane possono funzionare in flussi d'acqua industriali realistici e condizioni operative, " Nair ha detto. "Erano necessari nuovi tipi di strutture GO che mostrassero elevate prestazioni di filtrazione e stabilità meccanica pur mantenendo l'eccellente stabilità chimica associata ai materiali GO".

Per creare tali nuove strutture, il team ha concepito l'idea di inserire grandi molecole di colorante aromatico tra i fogli GO. I ricercatori Zhongzhen Wang, Chen Ma, e Chunyan Xu hanno scoperto che queste molecole si legano fortemente ai fogli di GO in diversi modi, compreso l'impilamento di una molecola su un'altra. Il risultato è stata la creazione di spazi "gallery" tra i fogli GO, con le molecole di colorante che agiscono come "pilastri". Le molecole d'acqua filtrano facilmente attraverso gli spazi ristretti tra i pilastri, mentre le sostanze chimiche presenti nell'acqua vengono selettivamente bloccate in base alla loro dimensione e forma. I ricercatori potrebbero mettere a punto la microstruttura della membrana verticalmente e lateralmente, permettendo loro di controllare sia l'altezza della galleria che la quantità di spazio tra i pilastri.

Il team ha quindi testato le membrane di nanofiltrazione GO con più flussi d'acqua contenenti sostanze chimiche disciolte e ha mostrato la capacità delle membrane di respingere le sostanze chimiche in base alle dimensioni e alla forma, anche ad alte concentrazioni. In definitiva, hanno adattato le loro nuove membrane GO a fogli lunghi fino a 4 piedi e hanno dimostrato il loro funzionamento per più di 750 ore in un flusso di alimentazione reale derivato da una cartiera.

Nair ha espresso entusiasmo per il potenziale della nanofiltrazione a membrana GO per generare risparmi sui costi nell'utilizzo dell'energia della cartiera, che potrebbe migliorare la sostenibilità del settore. "Queste membrane possono far risparmiare all'industria cartaria oltre il 30% dei costi energetici della separazione dell'acqua, " Egli ha detto.