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搭配纳米技术,石墨烯 完美实现海水淡化

日期:2017年4月18日 17:32

  石墨烯 以独特的力学和电学特徴被称为“神奇材料”,但其与 水的相互作用却让人困惑:石墨烯表面排斥水,但浸入 水中的石墨烯薄膜毛细通道,却允许水快速渗透。石墨烯与水之间这种“若即若离”的关系令科学家着迷。基于这种神奇的特徴,英国曼 彻斯特大学研究人员开发出一种新型石墨烯氧化物薄膜,能有效 地过滤海水中的盐。在全球 淡水资源缺乏的背景下,此项发 明未来在海水淡化产业中必然有非常好的应用前景。未来有一天,是否能 成为改变世界的神奇发明?
  近日,来自英 国曼彻斯特大学的科研团队研发了一种能滤除海水中盐分的石墨烯筛网,该技术 将让数以百万计的人喝到干净淡水。这个团队由拉胡尔·奈尔博士(Dr. Rahul Nair)领导,他们将 研究成果发布在《自然·纳米技术》期刊上。
  石墨烯 由单层六边形晶体状的碳原子组成,延展性和导电性极好,是最受 瞩目的未来世界新材料之一。但是,现有的生产方法(例如化学气相沉积法)不仅成本高昂,且产量很少,石墨烯 筛网的批量生产和规模化应用几乎是一件遥不可及的事。奈尔博 士的团队发布文章中,展示了 如何透过使用氧化石墨烯来控制成本,进而解决这一难题。
  奈尔博士介绍说,氧化石 墨烯可以透过简单的氧化反应来制造。他告诉 BBC 记者,“一开始,做为一种墨水──或说溶液,我们可 以先在基质上或可渗透性材料上构造它,然后再 将其做为膜来使用。”他提出,在规模 化生产和成本控制方面,氧化石 墨烯比单层石墨烯原子有潜在优势。
  关于单层石墨烯,奈尔博士说:“为了让膜具渗透性,我们要 在上面钻出小孔。但如果孔的直径大于 1 纳米,盐分子就能穿过。所以,我们要 制作出一张均匀分散小于 1 纳米孔洞的薄膜,才能达 到过滤海水盐分的效果,这个工 作非常具挑战性。”
 
    氧化石 墨烯筛除纳米粒子、有机分 子和无机盐的能力早已得到证实,但是时至今天,仍然很 难应用于过滤普通食盐,因为后者粒子更小,对筛网 的精细度要求更高。
  已有的实验表明,当浸泡在水中时,氧化石 墨烯薄膜会出现一定程度的膨胀,使盐分 子能穿透膜上的小孔而无法有过滤效果。针对这一问题,奈尔博 士和同事用环氧树脂(一种在 胶水和涂料中广泛应用的材料)制作成“阻隔壁”在膜的两侧,就可以 有效防止薄膜膨胀。
  同时,对膨胀程度的控制,也使科 学家能根据需要调整盐的过滤程度。
  当普通 的盐在水中溶解时,水分子 会在盐分子外面成一层“外壳”。这使氧 化石墨烯薄膜上的毛细管能吸附盐分子,而不随着水流走。奈尔博士说:“水分子可以通过导管,但是氯化钠不可以。氯化钠 溶解在水中总需要水分子的帮助,外面包裹着‘水壳’的氯化 钠比石墨烯薄膜的导管直径要大,所以它无法通过。”

▲科学家 们将石墨烯筛子与已有的海水淡化薄膜设备进行对比测试。

   与此相反的是,水分子 可以快速通过这层膜,因此这 是非常理想的海水淡化设备。
“当毛细 管的直径在一纳米左右──很接近 一个水分子的大小,水分子 就会井然有序地排列通过,就像一列火车。”奈尔博士说,“这使水 通过过滤的速度变快,如果你 在一侧施加压力,由于氢键的作用,水分子 会全部到另一侧去。这只有 当毛细管的直径非常小时才能实现。”
  联合国预计到 2025 年全世界 14% 的人将 面临淡水资源缺少的问题。随着气候变化,城市水 供应量将会不断下降。发达的 现代国家纷纷加强海水淡化设备的研发。
目前世 界上最常见的淡化设备使用的是聚合物薄膜。
   “这是首 次展示我们能控制膜上的小孔、能淡化海水,这在以前不可能。下一步 我们将会把它与市面上最先进的材料比较。”奈尔博士说。“透过物 理手段将水从离子溶液中分离出来,可说是 开启了一扇降低海水净化成本的大门。总之,我们最 终的目的是以海水或废水为原料,用最少 的能量投入产出饮用水。”

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