Grafen som løsning på vandmangel

Det var udsigten til vandmangel, der var drivkraften bag brasilianske Nadia Ayads vinderbidrag til Sandvik Coromant Graphene Challenge, der fandt sted i foråret 2016. Ayad, der er 23 år gammel, designede en filtrerings- og afsaltningsanordning til boliger, som anvender grafen til genbrug af vand, hvilket både giver lavere energiomkostninger og reducerer presset på vandreserverne.

“Vandressourcerne begynder for alvor at blive begrænsede,” siger hun. “Undersøgelser foretaget af FN viser, at der er områder, hvor vand vil være en mangelvare i 2040 eller 2050, så vi har brug for metoder til behandling af det vand, der allerede findes, så det kan bruges af den kommende generation.”

Graphene Challenge, der fandt sted i april og maj 2016, havde til formål at inspirere den kommende generation af ingeniører ved at opfordre dem til at komme med nyskabende og bæredygtige ideer til, hvordan grafen kan anvendes i en moderne husholdning. Nadia, der er født og bor i Rio de Janeiro og studerer materialeteknik på det Militære Tekniske Institut (Instituto Militar de Engenharia), hørte om konkurrencen og blev strakt tændt på ideen. “Vi havde hørt om grafen i undervisningen. Det er et fantastisk materiale, som med stor sandsynlighed vil komme til at spille en stor rolle i fremtiden, fordi det har nogle meget interessante egenskaber.

“Jeg begyndte at læse om det og overveje en måde, det kunne bruges på,” fortæller hun.

“Grafen har altid været et dyrt materiale og er derfor upraktisk at bruge i boliger. Men jeg læste artikler, hvor der stod, at det var ved at blive meget billigere.”

Den idé, Nadia indsendte til Graphene Challenge, gik ud på at bruge grafen som filter i et afsaltningsanlæg til boliger. Med et grafenfilter kan anlægget arbejde meget hurtigere end tilsvarende eksisterende anlæg, fortæller hun.

Som vinderen af Graphene Challenge rejser Nadia til Sverige i november for at besøge Grafencentrum ved Chalmers tekniske højskole.

På grund af den aktuelle økonomiske krise i Brasilien har mange af Nadias fagfæller med tekniske uddannelser haft svært ved at finde jobs. Hun har dog altid haft en ambition om at blive akademiker og specialisere sig i biomaterialer og vævsteknik.

“Jeg er interesseret i det medicinske fagområde,” siger hun. “Jeg vil rigtig gerne kunne anvende tekniske ideer til at skabe produkter, der gør en reel forskel, og hjælpe mennesker til at overvinde sygdomme, der er meget vanskelige at behandle i dag.”

Nadia er også begejstret for den rolle, teknisk videnskab kan komme til at spille i fremtiden.

“Vi ved, at teknisk videnskab kan bruges inden for mange områder, men vi ved også, at vi har brug for befolkningens hjælp til at skabe en efterspørgsel, før den kan blive bæredygtig,” siger hun. “Hvis man er bevidst om, at der skal ske fremskridt, og at fremskridtet skal være bæredygtigt, så er de tekniske løsninger forpligtet til at følge det spor. Og så kan det ikke undgås, at verden går i en mere bæredygtig retning i forhold til nu.”

Grafen som afsaltningsmembran

Grafenmembraner kan anvendes som filtreringsenheder til spildevandsbehandling i boliger, som kan filtrere vandet fra vaskemaskinen eller køkkenafløbet og forvandle det til drikkevand. Det vil både reducere energiforbruget i rensningsanlæg og lette presset på vandforsyningen.

Nadia Ayads vinderløsning

Sådan beskrev Nadia Ayad sin løsning på deltagerformularen til Graphene Challenge:

Grafen er et af de mest lovende materialer vi har. Indtil nu har man fundet mange og spændende egenskaber: Det er strækbart, transparent, superledende og kan filtrere gas og væske ét molekyle ad gangen. Det har stor varmeledningsevne og en høj elektrisk ledningskapacitet og kan omdanne lys til energi, og så er det 200 gange stærkere end stål målt i vægt. Produktionsomkostningerne er faldende: Forskere ved University of Glasgow har fundet en metode til produktion af store grafenplader, der er 100 gange billigere end den hidtidige produktionsmetode.

For mig er et af de mest spændende anvendelsesområder dog grafen som filtreringsmedium. Forskere ved University of Manchester har publiceret resultater, der beskriver præcis og ultrahurtig molekylefiltrering gennem membraner i grafenoxid. Mens grafen i tør tilstand skaber et vakuum, så tillader grafen med små porer ved nedsænkning i vand umiddelbart en meget hurtig strøm af to monolag af vand og små ioner, der er langt højere end den, der kan forklares med diffusion alene. Med hensyn til separationsegenskaber, så sikrer den store kapillærkraft desuden præcis gennemtrængning af små ioner (under ni Ångstrøm), mens større ioner blokeres effektivt.

Dette har ført til yderligere forskning i grafens potentiale som afsaltningsmembran. Nuværende afsaltningsmetoder er baseret på omvendt osmose.

Undersøgelser har vist, at afsaltning ved hjælp af grafen har en gennemstrømning, der er mindst én størrelsesorden større end de bedste membraner til omvendt osmose. Dette kan reducere energiomkostningerne til afsaltning betydeligt.
Med den stigende globalisering bliver er planetens vandforsyning på vej til at blive begrænset. Man har beregnet, at omkring 40 procent af verdens befolkning bor i områder, hvor vandforsyningen er under pres.

Dette tal forventes at stige til omkring 50–65 procent i 2025, og i 2050 vil næsten halvdelen af verdens befolkning bo i områder, hvor vand er en mangelvare, samtidig med at 90 procent af befolkningstilvæksten vil ske i disse områder.

I en kontekst af bæredygtige boliger kan grafenmembraner bruges som filtreringsanordninger, og inden for rensning af spildevand kan de bruges til at filtrere regnvand og vand fra vaskemaskiner og køkkenafløb til drikkevand. Desuden kan boliger tæt på havet benytte grafenmembraner til afsaltning og dermed yderligere reducere omkostningerne til rent vand.

Der bør derfor anvendes membraner af grafenoxid i afløb, regnvandsreservoirer samt i personlige vandrensningsanlæg til rensning af vand i boliger, hvilket vil reducere den mængde energi, der bruges på vandrensning, og reducere belastningen på de nuværende vandressourcer. Grafen er således et meget vigtigt materiale i vores bestræbelser på at skabe en mere bæredygtig verden.