Graphene and water
​Illustration: Crispin Porter + Bogusky
Image: J-O Yxell

Grafen renar vatten effektivare

Miljarder kubikmeter vatten konsumeras varje år, men mycket av vattenresurserna som floder, sjöar och grundvatten förorenas i allt större utsträckning med utsläpp av kemikalier från industrier och stadsområden. Det är en dyr och krävande process att ta bort föroreningar, bekämpningsmedel, läkemedel, perfluorerade föreningar, tungmetaller och patogener. Graphil är ett projekt som syftar till att skapa en marknadsprototyp för ett nytt och förbättrat sätt att rena vatten med hjälp av grafen.
Grafenförbättrade filter för vattenrening Graphene enhanced filters for water purification (Graphil) är ett av elva utvalda spjutspetsprojekt som finansieras av Grafenflaggskeppet, Europas största initiativ för grafenforskning, vilket involverar mer än 150 universitet och företag i 22 länder, och där Chalmers står som koordinator. 

Spjutspetsprojekten startar i april 2020 och baseras på tidigare vetenskapliga upptäckter. Syftet är att bygga vidare på forskningsresultat och ta fram prototyper som ska kunna tillämpas kommersiellt inom tre år.

I projektet Graphil kommer man att producera ett kompakt vattenreningsfilter som kan anslutas direkt till ett hushålls vattenkran eller användas som en bärbar vattenreningsanordning, för att säkerställa att alla har tillgång till säkert dricksvatten.

Vincenzo Palermo
– Detta är en helt ny forskningsinriktning för Chalmers i Grafenflaggskeppet, och det kommer att vara av strategisk betydelse. Vattenrening är en viktig samhällsutmaning redan idag och kommer att öka allt mer i framtiden, både i fattiga och rika länder. I Graphil kommer vi förhoppningsvis att kunna använda vår kunskap om grafenkemi för att producera en helt ny generation av vattenreningssystem genom ett gränssnitt av grafen-polysulfon-nanokompositer, säger Vincenzo Palermo, vice ​direktör för Grafenflaggskeppet samt professor vid institutionen för industri- och materialvetenskap.
 

Grafenförbättrande filter överträffar andra vattenreningstekniker

Idag är de flesta vattenreningsprocesser baserade på flera olika tekniker. De vanligaste är adsorption på granulerat aktivt kol som tar bort organiska föroreningar, membranfiltrering som avlägsnar till exempel bakterier eller stora föroreningar, och omvänd osmos. Omvänd osmos är den enda tekniken idag som kan avlägsna organiska eller oorganiska föroreningar med hög effektivitet. Men det är också en teknik som har höga elektriska och kemiska kostnader från både drift och underhåll.

Många befintliga föroreningar i Europas vattenkällor, inklusive läkemedel, produkter för personlig vård, bekämpningsmedel och ytaktiva ämnen, är också resistenta mot konventionell reningsteknik. Antalet fall av föroreningar av mark- och dricksvatten ökar snabbt över hela världen, vilket också kommer att skapa potentiellt negativa effekter på både människors hälsa och ekosystemet i stort.

I projektet Graphil vill man istället använda sig av grafenrelaterade materialpolymerkompositer i vattenreningen. Grafen har unika egenskaper som gynnar kompositmaterialets absorption av organiska molekyler. Dessa egenskaper gör det också möjligt för materialet att binda joner och metaller, vilket minskar antalet oorganiska föroreningar i vattnet. Till skillnad från att använda flera tekniker så som omvänd osmos, granulerat aktivt kol och mikrofiltrering, kommer grafenfilter att bli mycket enklare, billigare och mer effektiva för användaren.

Grafen


Graphil kommer nämligen inte bara att ersätta alla gamla tekniker, utan också vara avsevärt bättre både vad gäller effektivitet och kostnader. Filtret fungerar som ett enkelt mikrofiltreringsmembran, och denna enkelhet kräver lägre driftstryck, vilket innebär minskad vattenförlust och lägre underhållskostnader för slutanvändaren.
 

Uppskalning av tekniken på industriell nivå

Chalmers har, i samarbete med andra partner inom Grafenflaggskeppet, under de senaste åren undersökt de grundläggande strukturella egenskaperna för grafenrelaterade material och polysulfonsammansättningar vid vattenrening. Ett filter har sedan framgångsrikt utvecklats och validerats i en industriell miljö av Italiens nationella forskningsråd (CNR) och vattenfiltreringsleverantören Medica.

Nu är uppgiften att integrera resultaten och bevisa att produktionen kan skalas upp i ett komplett system för kommersiellt bruk.

Professor Vincenzo Palermo och Dr. Zhenyuan Xia forskar vid Institutionen för industri- och materialvetenskap, Chalmers. De kommer att stödja Graphilprojektet med avancerade anläggningar för kemisk, strukturell och mekanisk karaktärisering och bearbetning av grafenorienterad polymerkomposit i Kg-skalan. Chalmers roll i projektet kommer att vara att utföra kemisk funktionalisering av grafenoxiden och polymerfibrerna som används i filtren, för att förbättra deras kompatibilitet och prestanda när det gäller att fånga organiska föroreningar.

Zhenyuan Xia
– Vi är mycket glada över att sätta igång med Graphil i samarbete med partners från Storbritannien, Frankrike och Italien, och jag hoppas att mina tio års tidigare erfarenheter från Italien och Sverige kommer att hjälpa oss att lyckas i detta projekt, säger Zhenyuan Xia.
 

Partners

Graphil är ett tvärvetenskapligt projekt som består av partners från både akademi och industri. De akademiska partnerna inkluderar Chalmers, Italiens nationella forskningsråd (CNR) och University of Manchester. Industripartnerna är Icon Lifesaver, Medica SpA och Polymem S.A – alla europeiska industriledare inom vattenreningssektorn. Målet är att ha en fungerande filterprototyp som kan kommersialiseras av branschen för hushållens vattenbehandling och bärbar vattenrening.
 

Finansiering

Grafenflaggskeppet är ett av de största forskningsprojekten som finansieras av Europeiska kommissionen. Med en budget på 1 miljard euro under tio år representerar den en ny form av gemensam, samordnad forskning och bildar Europas största forskningsinitiativ någonsin. Grafenflaggskeppet har till uppgift att föra samman akademiska och industriella forskare för att ta grafen från akademiska laboratorier till det europeiska samhället och därmed skapa ekonomisk tillväxt, nya jobb och nya möjligheter.
 
Den totala budgeten för spjutspetsprojektet GRAPHIL kommer att vara 4,88 miljoner euro.  Projektet börjar i april 2020 och pågår i tre år framöver.

Publicerad: må 23 mar 2020.