新看點丨石墨烯為海水淡化提供新路徑
石墨烯為海水淡化提供新路徑
■黃 靜 李 芮
航行在茫茫大海上，淡水供應的重要性不言而喻。無論是民船還是軍艦，淡水的來源只有兩種，要么離開陸地時定量裝載攜行，要么航行途中淡化海水實時補給。
以美海軍為例，其艦員的淡水供應標準是每人每天50加侖，約為189升。同時，艦艇上的裝備本身淡水消耗量也很大，如蒸汽彈射器每推動一架艦載機起飛，就會消耗1~2噸的淡水。如果艦艇每次遠赴大洋都自帶充足的淡水，留給武器裝備的空間便所剩無幾。這也就意味著，掌握低碳、便捷、高效的海水淡化技術至關重要。
目前，海水淡化技術主要包括熱法和反滲透膜法兩種。相較于熱法，反滲透膜法海水淡化技術更加有效。作為實現(xiàn)反滲透技術核心元件的反滲透膜，是一種選擇透過性膜，它可以在外界壓力驅(qū)動下，只允許水分子通過薄膜，而水中的各種諸如鈉離子、氯離子、鎂離子等無機鹽離子和細菌等微生物則無法通過。
不過，傳統(tǒng)的反滲透薄膜一般是聚合物膜。這類膜存在選擇性差、長時間運行容易發(fā)生膜污染的問題，因此，選擇滲透性更高、化學穩(wěn)定性和抗污染性能更強的新型膜材料，一直是海水淡化技術研究的重點方向之一。
石墨烯就是近年來興起的這樣一種新型膜材料，為海水淡化提供了新路徑。
作為一種非常薄的二維碳納米材料，石墨烯的厚度幾乎可以忽略不計。同時，它的制備方法相對簡單，具有較強的化學穩(wěn)定性、較好的離子選擇性、耐污性、可調(diào)的小孔隙尺寸和滲透率。于是，科學家用石墨烯制成能夠截留掉海水中的無機鹽、只讓水分子通過的“篩子”，即石墨烯薄膜。目前，石墨烯海水淡化膜主要分為兩類。
氧化石墨烯膜。該類薄膜由諾貝爾物理學獎得主、曼徹斯特大學教授Andre Geim團隊研制。作為石墨烯衍生物的氧化石墨烯，它表面上的親水基團有利于水分子進入膜內(nèi)部快速流動，得到的淡水產(chǎn)量高，且長時間運行也不容易出現(xiàn)膜污染的問題。
單原子層厚的納米多孔石墨烯薄膜。據(jù)悉，由武漢大學、湖南大學和美國加州大學洛杉磯分�？蒲腥藛T組成的團隊，將碳納米管和石墨烯納米篩相結合，制備出兼具較強機械性能和較高滲透效率的石墨烯薄膜，開啟了石墨烯在海水淡化中應用的新思路。
石墨烯以其優(yōu)異的機械性能、化學穩(wěn)定性以及可調(diào)的孔隙尺寸，為海水淡化技術帶來了新希望，有助于解決艦艇遠洋航行資源補給的難題，應用前景廣闊。據(jù)估算，到2030年，全球海水淡化膜市場規(guī)模將達到70億美元，其中石墨烯海水淡化膜市場規(guī)模將達37億美元。與此同時，未來的海水淡化技術也將更突出低能源、低污染的特征。
責任編輯：杜圣智
