導(dǎo)讀石墨烯可以更快地脫去海水中的鹽分，但在生產(chǎn)更便宜的飲用水的同時(shí)，目前還存在著一些未實(shí)現(xiàn)的愿望。在很長(zhǎng)時(shí)間的理論計(jì)算中，石墨烯的脫鹽能力要好于水過(guò)濾材料，只是實(shí)踐中的測(cè)試還很少。
地球上有七億四千八百萬(wàn)人無(wú)法飲用到干凈的飲用水，而與此同時(shí)全球飲用水需求日益增加，所以從海水中獲得干凈的飲用水具有非常大的意義。
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。對(duì)此，美國(guó)麻省理工學(xué)院、英國(guó)曼徹斯特大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等眾多高等院校、科研機(jī)構(gòu)都作了不少研究與嘗試，以探索石墨烯納米通道快速過(guò)濾離子的機(jī)理，尋找將這種備受矚目的新材料應(yīng)用于海水凈化的方法。
以飛機(jī)制造聞名的美國(guó)康采恩Lockreed Martin申請(qǐng)了一項(xiàng)專(zhuān)利，旨在將石墨烯用作海水過(guò)濾材料。不僅是美國(guó)人，歐盟也在石墨烯上投入了大量資金：在石墨烯旗艦聯(lián)盟里，有一個(gè)專(zhuān)門(mén)研究石墨烯箔片膜性質(zhì)的小組。聯(lián)盟的一些公司對(duì)石墨烯潛在應(yīng)用也表示了很大興趣，比如BASF和納米膜生產(chǎn)商CNM技術(shù)公司，允許大學(xué)和研究所在公司的工業(yè)環(huán)境下測(cè)試石墨烯納米膜的過(guò)濾性能。
一個(gè)原子的厚度
但有關(guān)石墨烯脫鹽的最新研究成果并不是Lockreed Martin和歐盟石墨烯旗艦計(jì)劃獲得的，而是來(lái)自于美國(guó)田納西州的Oak Ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室通過(guò)制造并修改石墨烯，實(shí)現(xiàn)了水和鹽的完全分離。雖然實(shí)際操作時(shí)分離的時(shí)間長(zhǎng)于理論計(jì)算得出的時(shí)間，但與目前材料的過(guò)濾速度相比，數(shù)值已經(jīng)超過(guò)了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這種超薄膜實(shí)現(xiàn)了所謂的“彈道運(yùn)輸”，因?yàn)樗肿釉诖┻^(guò)膜孔時(shí)只須經(jīng)過(guò)很短的一段路程，不會(huì)碰撞到膜壁上，這就意味著水分子在傳輸過(guò)程中不會(huì)遇到阻力，也不會(huì)發(fā)生散射，這使得傳輸過(guò)程非�？�。
但是這對(duì)于石墨烯的結(jié)構(gòu)要求非常高。研究者首先將石墨烯分離到銅箔上，然后再將它們分開(kāi)，通過(guò)這種方法可以石墨烯薄膜上獲得毛細(xì)通道。這些毛細(xì)通道的直徑必須具備一個(gè)最佳尺寸，過(guò)大會(huì)使鹽離子通過(guò)，過(guò)小就會(huì)阻礙水分子運(yùn)輸。石墨烯本身是不允許氣體分子透過(guò)的，所以沒(méi)有毛細(xì)孔完全不行。為此，研究者將石墨烯箔片暴露在氧等離子體中，帶電的氧離子與碳原子發(fā)生反應(yīng)，石墨烯箔片上便會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)孔。
理想條件在實(shí)踐中難以實(shí)現(xiàn)
研究人員讓鹽水流經(jīng)帶有毛細(xì)通道的石墨烯箔片，有時(shí)鹽水順利通過(guò)，有時(shí)在兩個(gè)裝有不同濃度鹽水的容器之間石墨烯會(huì)形成通道。在所有的實(shí)驗(yàn)室條件下石墨烯箔片幾乎表現(xiàn)出很好的過(guò)濾性能，只是流動(dòng)速率在較大差異的數(shù)量級(jí)水平上變化。研究小組的科學(xué)家Ivan Vlassiouk說(shuō)：“這對(duì)我們來(lái)說(shuō)是個(gè)謎團(tuán)。目前推測(cè)，石墨烯中的一些孔洞會(huì)被鹽離子阻塞，因?yàn)樵谀抢镂覀兪褂昧烁邼舛鹊柠}水。它的含鹽量不能與海水等同。更確切地說(shuō)，實(shí)驗(yàn)室的鹽水濃度與淡海水的濃度相同，含鹽量不到百分之一，而海水的含鹽濃度為百分之三點(diǎn)五。”
Vlassiouk下一步將在實(shí)驗(yàn)中使用真正的海水取代實(shí)驗(yàn)室混合鹽水，進(jìn)而探討石墨烯到底在工業(yè)過(guò)濾海水的應(yīng)用中能走多遠(yuǎn)。未處理過(guò)的海水中除了鹽分，也含有大量的有機(jī)化合物及微生物。尤其是微生物會(huì)在水處理過(guò)程中帶來(lái)麻煩，它們會(huì)聚集在過(guò)濾膜表面進(jìn)而堵塞過(guò)濾膜。人們希望在這種超薄的石墨烯薄膜上不會(huì)出現(xiàn)這種所謂的“生物堵塞”，因?yàn)槲⑸锖茈y附著在光滑的表面上，但這還需要進(jìn)一步的證實(shí)。另外，這種“被穿孔”的石墨烯箔片生產(chǎn)過(guò)程也完全不適用于工業(yè)中：畢竟在測(cè)試階段，Oak Ridge國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員只使用了一個(gè)直徑為5毫米的石墨烯小片段。
廣告vs科學(xué)
海水淡化有很多種方法，其中在逆滲透海水淡化法中石墨烯具有替代目前膜材料的潛能。Lockreed Martin公司的一位工程師認(rèn)為，在脫鹽裝置中使用石墨烯，可以提高百倍效率，從而減少能量消耗。而來(lái)自耶魯大學(xué)的科學(xué)家Menachem Elimelech反對(duì)這一觀(guān)點(diǎn)。他精確地計(jì)算了脫鹽裝置中的能量損耗，使用裝有能量回收系統(tǒng)的現(xiàn)代脫鹽設(shè)備處理一升水，可以將能量消耗從5瓦時(shí)降低到2瓦時(shí)。其中一半的能量是熱動(dòng)力學(xué)必須的，用于在逆滲透過(guò)程中建立足夠的壓力，而這一點(diǎn)是石墨烯不能改變的。
Menachem Elimelech教授認(rèn)為，在保持相同流速的同時(shí)，人們可以通過(guò)制造出更小面積的薄膜來(lái)降低費(fèi)用，但是所有的運(yùn)行程序要適應(yīng)小面積的過(guò)濾膜。這樣做是否值得，科學(xué)家們對(duì)此提出了問(wèn)題，因?yàn)樗鼈儼l(fā)現(xiàn)了滲透膜另一個(gè)重要的優(yōu)化需求：對(duì)抗微生物的阻力。微生物會(huì)降低滲透膜的能效，因此滲透膜需要經(jīng)常更換。為此，我們可以加入氧氣，使其與石墨烯結(jié)合，生成氧化石墨烯，覆蓋在滲透膜上的氧化石墨烯就可以作為保護(hù)層。現(xiàn)在還不明確每個(gè)石墨烯層的性能，而且更高的通過(guò)率可能將引起更大的堵塞率。
除了通過(guò)石墨烯優(yōu)化反滲透作用，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)了脫鹽裝置更大的節(jié)能潛力。Lockreed Martin公司在節(jié)能方便預(yù)估了石墨烯的前景：百分之十至百分之二十的節(jié)能空間。這個(gè)數(shù)值相當(dāng)于許多德國(guó)家庭一整年的耗電量。
歐盟石墨烯旗艦聯(lián)盟的人員表示，目前石墨烯的研究還處在基礎(chǔ)階段，但是對(duì)它的未來(lái)發(fā)展充滿(mǎn)信心。這種超薄的石墨烯薄膜，可以使水分子的流動(dòng)時(shí)間忽略不計(jì)，之前還沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)類(lèi)似的一種材料。不過(guò)在豐滿(mǎn)的理論與實(shí)際的基礎(chǔ)研究之間，“神奇材料”還需要時(shí)間。
原標(biāo)題:新應(yīng)用丨石墨烯技術(shù)助力海水淡化
新應(yīng)用丨石墨烯技術(shù)助力海水淡化
