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石墨烯再添新技能:把海水变成饮用水

2017-05-26 10:54:42      点击:

         随着海水淡化技术的不断发展,“海水变成饮用水”已经不是什么新鲜事。目前,这种技术在极度缺乏降水的中东地区已较为成熟,比如阿联酋的杰贝勒阿里海水淡化厂每年可生产约 3 亿立方米的淡水。

        不过,目前常用的海水淡化技术——过滤法和热蒸馏法,要不需要施加高压,以实现反渗透、脱去盐分;或者要消耗大量的燃料及时间,将海水中的纯水蒸馏出来……针对这些技术耗能高、耗时长等痛点,最近一支由曼彻斯特大学和中国科学技术大学组成的科学家团队研发出一种能快速筛选离子的过滤膜——改性氧化石墨烯薄膜,未来或许有望制造出一款能在几分钟内将海水淡化为饮用水的过滤装置。


△海水淡化中使用的反渗透膜

这项新发现被发表在《自然·纳米技术》杂志上。

        在早前,科学家们发现以重量最轻、强度最高、导电导热性能最强而著称的石墨烯被氧化后,显示出了进行气体分离和水过滤的强大潜力,它们已经被证实可以用于过滤掉小纳米颗粒,有机分子甚至大颗粒的盐的能力。然而它们不能用于筛出脱盐技术中的普通盐类,因为它们的“筛孔”还不够小。

        曼彻斯特大学以前的研究发现,如果浸入水中,石墨烯氧化物膜变得肿胀,虽然膜还能阻断较大的盐类,但较小的盐与水还能一起通过薄膜。

        曼彻斯特的团队现在已经进一步开发了这些石墨烯膜,并且发现了一种避免膜暴露于水时溶胀的方法——在薄膜两边涂覆2层由环氧树脂组成的“阻隔墙”。他们已经可以精确控制膜中的孔径,从而可以从咸水中过滤出普通的盐,保证饮用的安全性。

△科学家用石墨烯制成了可以筛掉盐类离子的“筛子”——环氧树脂改性氧化石墨烯薄膜

        曼彻斯特大学的 Rahul Nair 教授解释说:当盐溶于水时,电离出的钠离子和氯离子会被水分子包围,在它们表明面形成一个“壳”。而这种结构的直径远大于环氧树脂改性薄膜上毛细空洞的尺寸,因此这种薄膜能够表现出良好的“脱盐效果”(海水淡化的关键)。

        另外,中国科大工程科学学院吴恒教授的计算机模型研究表明,这种薄膜在水中会出现一种名为“离子海绵”的现象——石墨烯与离子相互作用,使得大量离子聚集在纳米通道附近,加快了过滤速度。

        西北太平洋国家实验室的 Ram Devanathan 评论道,单层石墨烯的造价很贵,但氧化石墨烯则便宜很多。这意味着,这种过滤膜或许能实现量产,未来还有可能建造出能耗小、价格低廉、操作简单的海水淡化装置,或污水净化系统,从而帮助一些无法负担起大型海水淡化厂运作的缺水国家解决水资源极度匮乏这一难题。

        到 2025年,联合国预计世界人口的14%将遇到缺水问题。这种技术有可能彻底改变世界各地的水过滤系统,特别是在无法建造大型脱盐厂的国家。