L'industrie américaine des pâtes et papiers utilise de grandes quantités d'eau pour produire de la pâte de cellulose à partir d'arbres. L'eau quittant le processus de réduction en pâte contient un certain nombre de sous-produits organiques et de produits chimiques inorganiques. Pour réutiliser l'eau et les produits chimiques, les usines de papier comptent sur des évaporateurs alimentés à la vapeur qui font bouillir l'eau et la séparent des produits chimiques.

La séparation de l'eau par les évaporateurs est efficace mais consomme de grandes quantités d'énergie. C'est important étant donné que les États-Unis sont actuellement le deuxième producteur mondial de papier et de carton. On estime que les quelque 100 papeteries du pays utilisent environ 0,2 quad (un quad équivaut à un quadrillion de BTU) d'énergie par an pour le recyclage de l'eau, ce qui en fait l'un des procédés chimiques les plus énergivores. Toute la consommation d'énergie industrielle aux États-Unis en 2019 s'élevait à 26,4 quads, selon Lawrence Livermore National Laboratory.

Une alternative consiste à déployer des membranes de filtration économes en énergie pour recycler les eaux usées de mise en pâte. Mais les membranes polymères conventionnelles—disponibles dans le commerce depuis plusieurs décennies—ne peuvent pas résister à un fonctionnement dans des conditions difficiles et des concentrations chimiques élevées trouvées dans les eaux usées de réduction en pâte et de nombreuses autres applications industrielles.

Des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont trouvé une méthode pour fabriquer des membranes à base d'oxyde de graphène (GO), un matériau chimiquement résistant à base de carbone, afin qu'ils puissent fonctionner efficacement dans les applications industrielles.

« GO a des caractéristiques remarquables qui permettent à l'eau de passer beaucoup plus rapidement qu'à travers des membranes conventionnelles, " dit Sankar Nair, professeur, Membre de la faculté Simmons, et président associé de l'Industry Outreach à la Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Mais une question de longue date a été de savoir comment faire fonctionner les membranes GO dans des conditions réalistes avec des concentrations chimiques élevées afin qu'elles puissent devenir pertinentes sur le plan industriel."

Grâce aux nouvelles techniques de fabrication, les chercheurs peuvent contrôler la microstructure des membranes GO d'une manière qui leur permet de continuer à filtrer efficacement l'eau même à des concentrations chimiques plus élevées.

La recherche, soutenu par le U.S. Department of Energy-RAPID Institute, un consortium industriel d'entreprises de produits forestiers, et le Renewable Bioproducts Institute de Georgia Tech, a été rapporté récemment dans le journal Durabilité de la nature . De nombreuses industries qui utilisent de grandes quantités d'eau dans leurs processus de production peuvent bénéficier de l'utilisation de ces membranes de nanofiltration GO.

Naïr, ses collègues Meisha Shofner et Scott Sinquefield, et leur équipe de recherche a commencé ce travail il y a cinq ans. Ils savaient que les membranes GO étaient reconnues depuis longtemps pour leur grand potentiel en dessalement, mais uniquement en laboratoire. "Personne n'avait démontré de manière crédible que ces membranes peuvent fonctionner dans des courants d'eau industriels et des conditions de fonctionnement réalistes, " a déclaré Nair. " De nouveaux types de structures GO étaient nécessaires qui affichent des performances de filtration et une stabilité mécanique élevées tout en conservant l'excellente stabilité chimique associée aux matériaux GO. "

Pour créer de telles nouvelles structures, l'équipe a conçu l'idée de prendre en sandwich de grosses molécules de colorant aromatique entre les feuilles GO. Chercheurs Zhongzhen Wang, Chen Ma, et Chunyan Xu a découvert que ces molécules se liaient fortement aux feuilles GO de plusieurs manières, y compris l'empilement d'une molécule sur une autre. Le résultat a été la création d'espaces "galerie" entre les feuilles GO, avec les molécules de colorant agissant comme des "piliers". Les molécules d'eau filtrent facilement à travers les espaces étroits entre les piliers, tandis que les produits chimiques présents dans l'eau sont sélectivement bloqués en fonction de leur taille et de leur forme. Les chercheurs ont pu régler la microstructure de la membrane verticalement et latéralement, leur permettant de contrôler à la fois la hauteur de la galerie et la quantité d'espace entre les piliers.

L'équipe a ensuite testé les membranes de nanofiltration GO avec plusieurs flux d'eau contenant des produits chimiques dissous et a montré la capacité des membranes à rejeter les produits chimiques par taille et forme, même à des concentrations élevées. Finalement, ils ont transformé leurs nouvelles membranes GO en feuilles d'une longueur allant jusqu'à 4 pieds et ont démontré leur fonctionnement pendant plus de 750 heures dans un flux d'alimentation réel dérivé d'une papeterie.

Nair a exprimé son enthousiasme pour le potentiel de la nanofiltration membranaire GO pour générer des économies de coûts dans la consommation d'énergie des usines de papier, ce qui pourrait améliorer la durabilité de l'industrie. « Ces membranes permettent à l'industrie papetière d'économiser plus de 30 % sur les coûts énergétiques de la séparation de l'eau, " il a dit.