石墨烯本周热点[2021.08.08]

“双碳”背景下，石墨烯将发挥巨大潜能

1. 氧化石墨烯膜使工业分离能耗降低90%

2. 氧化石墨烯水处理膜首次在英国实现商业化

3. 带电氧化石墨烯泡沫可以处理核废水

4. 石墨烯取代钢筋实现混凝土图案化设计

01

氧化石墨烯膜使工业分离能耗降低90%

如果你想从一锅水里取出面条，你是用过滤的方法，还是选择把水煮干？

生活中，我们都会选择固液分离的办法。但许多工业目前仍使用能源密集型加热方法来分离液体。一方面，这是因为很难制作用于化学分离的过滤系统，这需要足够小的孔来分离原子。另一方面，目前有用于分离液体的膜，但它们一般由易碎的聚合物制成，在工业使用中会分解或结块。

Via Separations 是一家于 2017 年从麻省理工学院诞生的初创公司，着手通过一种具有成本效益且坚固耐用的氧化石墨烯膜来替换目前工业使用的加热分离方法，可以将工业分离中使用的能量减少 90%。

橡树岭国家实验室称，这是很有价值的，因为加热分离过程约占美国所有厂内能源使用量的 22%。通过显著提高此类过程的效率，Via Separations 计划既节省能源又解决热过程产生的大量排放，该公司的目标是到 2050 年减少 500 兆吨的二氧化碳排放量。

Via Separations 今年开始在一家美国造纸公司试用其技术，并预计在 2022 年春季在那里部署完整的商业系统，愿景是帮助下游制造商在明年减缓二氧化碳排放。

Via Separations的负责人Dave的博士论文是关于使用氧化石墨烯进行海水淡化。但她说，从商业角度来看，这是该技术的错误应用，海水淡化的成本不在于膜材料。

因此，在 Dave 和 Keller 于 2016 年从麻省理工学院毕业后，他们花了大量时间与客户交谈，以了解更多关于他们的新分离技术的需求和机会。调研后，他们将目标锁定在造纸行业，因为改进纸张加工的环境效益是巨大的。造纸行业是一个非常集中、高能耗的行业，其分离过程占美国能源消耗的 2% 以上。

今天的大多数纸张是通过分解木材中的化学键来制造木浆。这个过程会产生一种叫做黑液的副产品。为了清理这一过程，造纸厂将黑液中的水煮沸，并回收水和化学品，以便在制浆过程中重新使用作为生物质原料。Via Separations 计划通过其氧化石墨烯膜过滤黑液来完成同样的分离工作。

氧化石墨烯的优势在于它非常坚固，它的碳双键可以在不同 pH 值和温度下保持连接，这些特性也应该使该公司的膜对其他使用膜分离的行业具有吸引力，因为目前的聚合物膜存在缺陷。

Via Separations 可以定制氧化石墨烯膜的孔隙以适应每个行业的应用。下一个目标市场可能是食品和饮料行业，试图将特定的糖和食品成分与其他物质分开。未来的目标客户包括制药公司、炼油厂和半导体制造商，甚至碳捕获企业。

Via Separations 的制造工艺现在能够在一次生产中生产超过 10,000 平方英尺的膜，这是一项关键的竞争优势。该公司将 300-400 平方英尺的膜卷成一个模块，并且可以根据需要组合模块以增加过滤能力。

我们的目标是使制造更加节能，让造纸厂或化学设施使用更少的能源和更低的成本生产更多的产品，为更可持续的世界做出贡献。

[来源： https://news.mit.edu/2021/cleaning-industrial-filtration-via-separations-0803]

02.

氧化石墨烯水处理膜首次在英国实现商业化

7月底，英国科技公司 G2O Water Technologies 获得了第一份商业合同，关于使用氧化石墨烯增强水处理膜。这对全球水处理行业特别重要，因为这是最近开发的石墨烯相关水处理材料的首次商业化成功应用。

氧化石墨烯的使用不仅提高了水处理膜的性能，减轻了污垢的影响——膜的水过滤系统运营商面临的最大挑战之一，还能延长膜的使用寿命，并显着降低水处理的成本和环境影响。

他们成功地解决了客户面临的一些最困难的水处理挑战。例如在工业洗衣行业，凭借氧化石墨烯涂层，陶瓷中空纤维膜系统具有显着的操作优势，使用户能够提高用水效率，同时显着节省能源成本。这对公司和整个水务行业来说都是一个重要的里程碑。

[来源: https://g2owatertech.com/milestone-contract-for-graphene-technology-in-water-treatment/]

03

带电氧化石墨烯泡沫可以处理核废水

麻省理工学院的研究人员发现，对氧化石墨烯泡沫施加电荷，可以捕获溶液中的铀，铀以凝聚的固体晶体形式沉淀出来。

氧化石墨烯泡沫最多可重复使用七次而不会失去其电化学性能。 这种工艺可以获得大量净化程度低于 EPA 铀限值的饮用水。

工艺的原理主要是通过向氧化石墨烯泡沫发送电荷、分解水并释放氢，它们可以提高局部 pH 值，铀会自行嫁接到泡沫表面，在那里形成一种前所未见的氢氧化铀结晶。在电荷反转时，这种类似鱼鳞的矿物质很容易从泡沫上滑落。

这种铀过滤过程简单、高效、清洁。每次使用时，氧化石墨烯泡沫可以捕获四倍于自身重量的铀，可以实现4000mg/g的提取能力，并可以经过七个循环而不会失去其提取效率。”

石墨烯泡沫在海水中也能发挥作用，它将铀浓度从百万分之三降低到 19.9 ppb，表明盐水中的其他离子不会干扰过滤。

这种低成本、高效的设备可以成为一种新型的家用滤水器，可以安装在商业品牌的水龙头上，

添加低压电力来过滤铀。

目前，过滤器正在被改进以针对其他重金属污染物，如铅、汞和镉。

[来源：https://news.mit.edu/2021/graphene-foam-filter-toxins-from-water-0804]

04

石墨烯取代钢筋实现混凝土图案化设计

2012 年 1 月，英国宣布将建设国家高速铁路网 HS2。目前，这条铁路的第一阶段正在进行建设，覆盖伦敦和伯明翰之间 140 英里。

这条线路的建设存在一定的限制，例如需要减少环境缺陷和成本，以及需要一种在带电轨道旁边建造的方法。

为了降低成本并获得更大的收益，隧道承包商 SCS JV决定使用一种新技术“Printfrastructure”，使用石墨烯增强混凝土进行 3D 打印。钢筋被只有几个原子厚的微观石墨烯链取代，就像岩石中的条纹一样穿过它。

石墨烯取代钢筋有助于提高现场安全性，提供更大的施工灵活性和更短的施工时间。通过去除钢材并简化施工过程，不再需要起重机和更少的运货卡车，碳减排会显著减少（多达50%）。

3D 打印石墨烯混凝土可用于多种结构，包括桥梁护栏、楼梯、墙壁、柱子和车站站台部分。

[来源：https://www.3dnatives.com/en/concrete-3d-printing-hs2-040820214/#!]