科普專欄 / Information

石墨烯:海水淡化的未來?

     “到處都是水,但卻沒有可以喝的。”Samuel Taylor Coleridge的古代水手面臨着和今天生活在海邊的人們同樣的困境。海水中含鹽量約為3.5%,但是人類的腎髒不能從超過2%的液體中制造尿液。過多海水的攝入,緻使腎髒利用你身體中任何可用的水份來稀釋多餘的鹽,所以不僅不會緩解口渴,反而會有可能死于脫水。
     氣候變化給全球許多地區造成幹旱,研究人員正在尋求淡化海水的廉價而有效的新技術。在目前的海水淡化技術中,最流行的是反滲透法(RO),鹽水被迫通過聚合物膜而過濾掉鹽離子。但是由于需要高壓的條件(500和1,000 psi之間 – 作為參考,汽車輪胎中的空氣大約為40 psi),以及浪費問題(100加侖海水智能得到5到40加侖淡水),RO法效率低且成本高。

利用超薄石墨烯膜代替聚合物膜可有效改善上述問題。石墨烯是隻有一個原子厚度的二維碳薄片。碳原子以六邊形的形式排列。石墨烯本身具有優異的柔韌性、輕便性和堅固性。石墨烯作為一種高效反滲透膜的前景正在迅速實現,幾家公司和大學(尤其是麻省理工學院和英國曼徹斯特大學)已經在制作脫鹽過濾器的設計。

由于石墨烯比傳統聚合物膜薄約1000倍,所以它的滲透性要高得多。如果一個市的RO工廠用石墨烯取代目前的聚合物膜,在仍然使用高壓泵的情況下,淡水産量将會大大增加。另外,石墨烯提供了一種可以替代目前昂貴泵的方法,因為石墨烯在較低的壓力下即可實現海水淡化。

研究人員目前正在研究的問題是如何有效地在石墨烯薄片上創建精确尺寸的孔隙——找到既不太大(否則鹽離子可以通過)又不太小(保證水分子可以自由通過)的最佳尺寸(見圖)。相關研究發現利用氧化石墨烯可更好的實現這種目的。氧化石墨烯仍然是一個單原子厚度的薄片,但比純石墨烯更可行,并且具有優異的防污性能。

圖片:DAVID COHEN-TANUGI和JEFFREY GROSSMAN

左邊的海水由水分子(紅色和白色)、鈉和氯(鹽)離子(綠色和紫色)組成,通過直徑在0.7到0.9納米之間的單原子厚度的石墨烯薄片。水分子向右通過,而較大的鹽離子被阻擋。

海水淡化正迅速成為一項公共衛生重點。最近我們在制造和操作大面積石墨烯方面取得的進展意味着,随着這些單原子厚的碳膜發揮作用,我們将在未來幾年内看到一場革命。

本文來自Carbontech,本文觀點不代表利特納米立場,轉載請聯系原作者。

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