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石墨烯海水淡化技术获重大突破 助力缓解水危机

http://www.water.hc360.com2017年04月10日10:36 来源:澎湃新闻网T|T

    慧聪水工业网 地球71%的面积被水覆盖,但全部水资源只有0.01%能供人类直接使用。据统计,世界上约有6.63亿人住在没有饮用水供给的地区,很多人需要跋涉好几个小时才能获取干净水源。

缓解水危机

    非洲有1/3人口缺乏饮用水,近半数人口因饮用不洁净水而染病。为了解决水资源短缺的问题,一些沿海国家都纷纷开始开发海水淡化系统。但众多缺水的发展中国家根本无法负担由此带来的巨额成本。

    现在,这些问题的解决有了新的曙光。今天DT君要介绍的,就是一种低成本的能够高效淡化海水的科技——氧化石墨烯薄过滤技术。这项最新研究成果发表在了《NatureNanotechnology》上。

    这项新技术诞生于世界顶尖的石墨烯科研机构——曼彻斯特大学“国家石墨烯研究所”。该研究所已经出过一位诺贝尔奖得主——那就是大名鼎鼎的“石墨烯之父”安德烈·海姆(AndreGeim)。

    因在石墨烯材料方面的卓越研究,安德烈·海姆和他的同事康斯坦丁·诺沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)获得2010年诺贝尔物理学奖。安德烈·海姆也是本次论文的通讯作者之一。

石墨烯之父

石墨烯之父:安德烈·海姆教授

    “石墨烯之父”安德烈·海姆教授(如上图),任教于曼彻斯特大学物理学院,也是曼彻斯特大学国家石墨烯研究所的牵头人之一,在他的职业生涯中,海姆发表了超过150篇的顶尖文章,其中很多都发表在《自然》和《科学》杂志上。或许我们对这位“石墨烯之父”所知甚少,但对于常被称为“奇迹材料”石墨烯,相信大多数人都并不陌生。

    石墨烯是碳的同素异形体,也是目前世界上最薄(约为头发丝的二十万分之一)、强度最大(最大强度钢的200多倍)、质量最轻、导电和导热性最好、透光性(白光透光率可达97.7%)和电子传输性最优异(电子在石墨烯中传输速度是在硅中传输速度的数百倍)的新型材料。因此,石墨烯几乎在每个行业都有潜在的应用前景。

    然而,石墨烯在名声大噪后,并没有很快进入人们的日常生活。真正限制石墨烯大量使用的是其难以工业化的大规模生产。一方面,使用诸如化学气相沉积(CVD)的方法很难生产出大量的单层、性能优异的石墨烯;另一方面,生产成本又太高。

    然而,石墨烯的衍生物——氧化石墨烯——能够在实验室通过简单的氧化生产出来。在墨水或一些溶液中,科学家们利用某些基底材料或多孔材料来合成氧化石墨烯,然后再将其用于膜系统。考虑到氧化石墨烯的灵活性和成本,氧化石墨烯比单层石墨烯更具有潜在优势。

    总之,氧化石墨烯薄膜的独特性质使其成为过滤或脱盐领域的最佳候选膜。曼彻斯特大学的科学家们现在已经展示了如何将氧化石墨烯薄膜用于高效的过滤系统,海水淡化取得了实质性的重大突破。

    该研究团队表示,这种膜不仅能用于脱盐,而且可调谐其孔径以过滤更多类型离子。孔径均匀的可伸缩膜如果能达到原子级别的孔径,这将是一个重大突破,这将为提高海水淡化技术的效率打开一扇新的大门。

    其实,这并不是氧化石墨烯薄膜的首次“精彩亮相”。在此之前,这种材料已经在分离气体和过滤离子等领域取得了很大的进步。

    之前,曼彻斯特大学的一项研究表明,氧化石墨烯薄膜浸入到水中,它们会发生一些变形,使薄膜的孔径变大,因此体积较小的离子就会随着水流穿过薄膜,而体积较大的离子或分子会被阻隔,这就起了一定程度的过滤作用。

    而现在,曼彻斯特大学研究团队的最新研究成果显示,这些氧化石墨烯薄膜得到了进一步优化,避免了在水流过薄膜时造成的孔径扩张。

    最重要的是,这次他们能够精确控制氧化石墨烯薄膜的孔径大小,这就能够有效地阻挡不需要的离子。使用这种石墨烯薄膜过滤后的水能够饮用,且更安全。

    毫无疑问,这次的成果具有重大的现实意义。一方面,按照联合国的“持续发展目标”,到2030年,世界上的每个人都能得到基本的淡水资源,然而目前形势并不乐观。

    另一方面,气候变化也正在将人们置于水安全威胁的边缘,干旱、洪水、冰川融化都会导致淡水资源的短缺。长期下去,这些因素又会进一步影响粮食生产、医疗卫生、能源与工业。淡水资源的匮乏已经给人类带来了不容忽视的威胁。

    联合国预测,到达2025年,世界上将有14%的人口面临着缺水的威胁。这项技术有望革新全世界范围内的过滤水技术,特别是对于那些不能承担起建立大规模脱盐工厂的国家极为有利。

    根据这项研究成果,人们可以按需设计氧化石墨烯薄膜的孔径,以实现“按需过滤”。地球上有充足的水资源,海洋就是我们充足的水资源库,如果我们能够大规模制造这种薄膜系统用于海水淡化,淡水危机就能很好地解决。

    目前,许多发达国家都在加大投资海水淡化技术,因此该技术也正处于发展的关键期。

    然而,这种石墨烯薄膜系统要具有商业可行性还可能需要一段时间。这些研究人员的终极目标是构建一个高效的过滤工业废水和海水的净化装置。主要面临的挑战有如下三点:

    第一,在工业上,要大规模地、廉价地生产稳定的、可持续在恶劣环境中工作的氧化石墨烯薄膜系统还必须考虑到该薄膜系统如何抗有机物、盐、和生物材料的腐蚀;

    第二,研究人员如何大规模地生产这种氧化石墨烯薄膜,并且具有广泛的工业应用价值也是他们面临的一项的巨大挑战;

    第三,石墨烯薄膜的生产过程中不可避免地会产生缺陷,如造成薄膜上不均匀的孔洞,这些孔洞对过滤和分离极其不利。

    附录:背后的原理

    通常,氧化石墨烯薄膜对水的透过性阻力较小,能够用于过滤和分离,质子导体,能量存储和转化等领域。然而,它们在离子筛分和脱盐技术中受到0.9纳米的渗透阈值限制,即直径低于0.9纳米的水合离子能够透过此膜,大于0.9纳米的离子才能被有效过滤。

    理论证明0.9纳米的阈值是由氧化石墨烯薄膜系统的层间距(d,约为1.35纳米)所决定的。通常,氧化石墨烯薄膜在水中容易膨胀,要实现更小的层间距具有相当大的挑战。有证据表明,层间距d在0.64纳米到0.98纳米范围内氧化石墨烯薄膜系统能够对常见盐的水合离子进行有效的过滤。

    基于这些发现,曼彻斯特大学的研究人员找到了一种方法(在氧化石墨烯薄膜的两侧引入环氧树脂)能够有效地控制孔径的扩张。经实验证实,用他们的方法能够使氧化石墨烯薄膜对氯化钠的离子的过滤率高达97%,这意味着该膜系统能够很好地进行过滤常见的盐离子。

    这完全可以称得上是该领域内一件具有里程碑式的成就。

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责任编辑:童志威

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