搭配納米技術(shù)，石墨烯完美實(shí)現(xiàn)海水淡化

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石墨烯以獨(dú)特的力學(xué)和電學(xué)特徴被稱為“神奇材料”，但其與水的相互作用卻讓人困惑：石墨烯表面排斥水，但浸入水中的石墨烯薄膜毛細(xì)通道，卻允許水快速滲透。石墨烯與水之間這種“若即若離”的關(guān)系令科學(xué)家著迷�；�于這種神奇的特徴，英國曼徹斯特大學(xué)研究人員開發(fā)出一種新型石墨烯氧化物薄膜，能有效地過濾海水中的鹽。在全球淡水資源缺乏的背景下，此項(xiàng)發(fā)明未來在海水淡化產(chǎn)業(yè)中必然有非常好的應(yīng)用前景。未來有一天，是否能成為改變世界的神奇發(fā)明?
 
近日，來自英國曼徹斯特大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種能濾除海水中鹽分的石墨烯篩網(wǎng)，該技術(shù)將讓數(shù)以百萬計(jì)的人喝到干凈淡水。這個(gè)團(tuán)隊(duì)由拉胡爾·奈爾博士(Dr. Rahul Nair)領(lǐng)導(dǎo)，他們將研究成果發(fā)布在《自然·納米技術(shù)》期刊上。
 
石墨烯由單層六邊形晶體狀的碳原子組成，延展性和導(dǎo)電性極好，是最受矚目的未來世界新材料之一。但是，現(xiàn)有的生產(chǎn)方法(例如化學(xué)氣相沉積法)不僅成本高昂，且產(chǎn)量很少，石墨烯篩網(wǎng)的批量生產(chǎn)和規(guī)�；瘧�(yīng)用幾乎是一件遙不可及的事。奈爾博士的團(tuán)隊(duì)發(fā)布文章中，展示了如何透過使用氧化石墨烯來控制成本，進(jìn)而解決這一難題。
 
奈爾博士介紹說，氧化石墨烯可以透過簡單的氧化反應(yīng)來制造。他告訴 BBC 記者，“一開始，做為一種墨水──或說溶液，我們可以先在基質(zhì)上或可滲透性材料上構(gòu)造它，然后再將其做為膜來使用�！彼�提出，在規(guī)模化生產(chǎn)和成本控制方面，氧化石墨烯比單層石墨烯原子有潛在優(yōu)勢。
 
關(guān)于單層石墨烯，奈爾博士說：“為了讓膜具滲透性，我們要在上面鉆出小孔。但如果孔的直徑大于 1 納米，鹽分子就能穿過。所以，我們要制作出一張均勻分散小于 1 納米孔洞的薄膜，才能達(dá)到過濾海水鹽分的效果，這個(gè)工作非常具挑戰(zhàn)性�！� 

氧化石墨烯篩除納米粒子、有機(jī)分子和無機(jī)鹽的能力早已得到證實(shí)，但是時(shí)至今天，仍然很難應(yīng)用于過濾普通食鹽，因?yàn)楹笳吡Ｗ痈�小，對篩網(wǎng)的精細(xì)度要求更高。
 
已有的實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)浸泡在水中時(shí)，氧化石墨烯薄膜會(huì)出現(xiàn)一定程度的膨脹，使鹽分子能穿透膜上的小孔而無法有過濾效果。針對這一問題，奈爾博士和同事用環(huán)氧樹脂(一種在膠水和涂料中廣泛應(yīng)用的材料)制作成“阻隔壁”在膜的兩側(cè)，就可以有效防止薄膜膨脹。
 
同時(shí)，對膨脹程度的控制，也使科學(xué)家能根據(jù)需要調(diào)整鹽的過濾程度。
 
當(dāng)普通的鹽在水中溶解時(shí)，水分子會(huì)在鹽分子外面成一層“外殼”。這使氧化石墨烯薄膜上的毛細(xì)管能吸附鹽分子，而不隨著水流走。奈爾博士說：“水分子可以通過導(dǎo)管，但是氯化鈉不可以。氯化鈉溶解在水中總需要水分子的幫助，外面包裹著‘水殼’的氯化鈉比石墨烯薄膜的導(dǎo)管直徑要大，所以它無法通過。” 

▲ 科學(xué)家們將石墨烯篩子與已有的海水淡化薄膜設(shè)備進(jìn)行對比測試。
 
與此相反的是，水分子可以快速通過這層膜，因此這是非常理想的海水淡化設(shè)備。
 
“當(dāng)毛細(xì)管的直徑在一納米左右──很接近一個(gè)水分子的大小，水分子就會(huì)井然有序地排列通過，就像一列火車�！蹦螤柌┦空f，“這使水通過過濾的速度變快，如果你在一側(cè)施加壓力，由于氫鍵的作用，水分子會(huì)全部到另一側(cè)去。這只有當(dāng)毛細(xì)管的直徑非常小時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。”
 
聯(lián)合國預(yù)計(jì)到 2025 年全世界 14% 的人將面臨淡水資源缺少的問題。隨著氣候變化，城市水供應(yīng)量將會(huì)不斷下降。發(fā)達(dá)的現(xiàn)代國家紛紛加強(qiáng)海水淡化設(shè)備的研發(fā)。
 
目前世界上最常見的淡化設(shè)備使用的是聚合物薄膜。
 
“這是首次展示我們能控制膜上的小孔、能淡化海水，這在以前不可能。下一步我們將會(huì)把它與市面上最先進(jìn)的材料比較。”奈爾博士說�！巴高^物理手段將水從離子溶液中分離出來，可說是開啟了一扇降低海水凈化成本的大門�？傊�，我們最終的目的是以海水或廢水為原料，用最少的能量投入產(chǎn)出飲用水�！�