“石墨烯之父”領銜突破海水淡化技術,或將極大緩解全球淡水資源短缺

發表時間:2019-02-25 09:12

  地球 71%的面積被水覆蓋,但全部水資源只有0.01%能供人類直接使用。據統計,世界上約有6.63 億人住在沒有飲用水供給的地區,很多人需要跋涉好幾個小時才能獲取干凈水源。

  非洲有1/3人口缺乏飲用水,近半數人口因飲用不潔凈水而染病。為了解決水資源短缺的問題,一些沿海國家都紛紛開始開發海水淡化系統。但眾多缺水的發展中國家根本無法負擔由此帶來的巨額成本。

  現在,這些問題的解決有了新的曙光。今天 DT 君要介紹的,就是一種低成本的能夠高效淡化海水的科技——氧化石墨烯薄膜過濾技術。這項最新研究成果發表在了《Nature Nanotechnology》上。

  這項新技術誕生于世界頂尖的石墨烯科研機構——曼徹斯特大學“國家石墨烯研究所”。該研究所已經出過一位諾貝爾獎得主——那就是大名鼎鼎的“石墨烯之父”安德烈·海姆(Andre Geim)。

  因在石墨烯材料方面的卓越研究,安德烈·海姆和他的同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)獲得2010年諾貝爾物理學獎。安德烈·海姆也是本次論文的通訊作者之一。

  “石墨烯之父”安德烈·海姆教授(如上圖),任教于曼徹斯特大學物理學院,也是曼徹斯特大學國家石墨烯研究所的牽頭人之一,在他的職業生涯中,海姆發表了超過150篇的頂尖文章,其中很多都發表在《自然》和《科學》雜志上。或許我們對這位“石墨烯之父”所知甚少,但對于常被稱為“奇跡材料”石墨烯,相信大多數人都并不陌生。

  石墨烯是碳的同素異形體,也是目前世界上最薄(約為頭發絲的二十萬分之一)、強度最大(最大強度鋼的 200 多倍)、質量最輕、導電和導熱性最好、透光性(白光透光率可達97.7%)和電子傳輸性最優異(電子在石墨烯中傳輸速度是在硅中傳輸速度的數百倍)的新型材料。因此,石墨烯幾乎在每個行業都有潛在的應用前景。

  然而,石墨烯在名聲大噪后,并沒有很快進入人們的日常生活。真正限制石墨烯大量使用的是其難以工業化的大規模生產。一方面,使用諸如化學氣相沉積(CVD)的方法很難生產出大量的單層、性能優異的石墨烯;另一方面,生產成本又太高。

  然而,石墨烯的衍生物——氧化石墨烯——能夠在實驗室通過簡單的氧化生產出來。在墨水或一些溶液中,科學家們利用某些基底材料或多孔材料來合成氧化石墨烯,然后再將其用于膜系統。考慮到氧化石墨烯的靈活性和成本,氧化石墨烯比單層石墨烯更具有潛在優勢。

  總之,氧化石墨烯薄膜的獨特性質使其成為過濾或脫鹽領域的最佳候選膜。曼徹斯特大學的科學家們現在已經展示了如何將氧化石墨烯薄膜用于高效的過濾系統,海水淡化取得了實質性的重大突破。

  該研究團隊表示,這種膜不僅能用于脫鹽,而且可調諧其孔徑以過濾更多類型離子。孔徑均勻的可伸縮膜如果能達到原子級別的孔徑,這將是一個重大突破,這將為提高海水淡化技術的效率打開一扇新的大門。

  其實,這并不是氧化石墨烯薄膜的首次“精彩亮相”。在此之前,這種材料已經在分離氣體和過濾離子等領域取得了很大的進步。

  之前,曼徹斯特大學的一項研究表明,氧化石墨烯薄膜浸入到水中,它們會發生一些變形,使薄膜的孔徑變大,因此體積較小的離子就會隨著水流穿過薄膜,而體積較大的離子或分子會被阻隔,這就起了一定程度的過濾作用。

  而現在,曼徹斯特大學研究團隊的最新研究成果顯示,這些氧化石墨烯薄膜得到了進一步優化,避免了在水流過薄膜時造成的孔徑擴張。

  最重要的是,這次他們能夠精確控制氧化石墨烯薄膜的孔徑大小,這就能夠有效地阻擋不需要的離子。使用這種石墨烯薄膜過濾后的水能夠飲用,且更安全。

  毫無疑問,這次的成果具有重大的現實意義。一方面,按照聯合國的“持續發展目標”,到 2030 年,世界上的每個人都能得到基本的淡水資源,然而目前形勢并不樂觀。

  另一方面,氣候變化也正在將人們置于水安全威脅的邊緣,干旱、洪水、冰川融化都會導致淡水資源的短缺。長期下去,這些因素又會進一步影響糧食生產、醫療衛生、能源與工業。淡水資源的匱乏已經給人類帶來了不容忽視的威脅。

  聯合國預測,到達 2025 年,世界上將有 14%的人口面臨著缺水的威脅。這項技術有望革新全世界范圍內的過濾水技術,特別是對于那些不能承擔起建立大規模脫鹽工廠的國家極為有利。

  根據這項研究成果,人們可以按需設計氧化石墨烯薄膜的孔徑,以實現“按需過濾”。地球上有充足的水資源,海洋就是我們充足的水資源庫,如果我們能夠大規模制造這種薄膜系統用于海水淡化,淡水危機就能很好地解決。

  目前,許多發達國家都在加大投資海水淡化技術,因此該技術也正處于發展的關鍵期。

  然而,這種石墨烯薄膜系統要具有商業可行性還可能需要一段時間。這些研究人員的終極目標是構建一個高效的過濾工業廢水和海水的凈化裝置。主要面臨的挑戰有如下三點:

  第一,在工業上,要大規模地、廉價地生產穩定的、可持續在惡劣環境中工作的氧化石墨烯薄膜系統還必須考慮到該薄膜系統如何抗有機物、鹽、和生物材料的腐蝕;

  第二,研究人員如何大規模地生產這種氧化石墨烯薄膜,并且具有廣泛的工業應用價值也是他們面臨的一項的巨大挑戰;

  第三,石墨烯薄膜的生產過程中不可避免地會產生缺陷,如造成薄膜上不均勻的孔洞,這些孔洞對過濾和分離極其不利。

  附錄:背后的原理

  通常,氧化石墨烯薄膜對水的透過性阻力較小,能夠用于過濾和分離,質子導體,能量存儲和轉化等領域。然而,它們在離子篩分和脫鹽技術中受到0.9納米的滲透閾值限制,即直徑低于0.9納米的水合離子能夠透過此膜,大于0.9納米的離子才能被有效過濾。

  理論證明,0.9納米的閾值是由氧化石墨烯薄膜系統的層間距(d,約為1.35納米)所決定的。通常,氧化石墨烯薄膜在水中容易膨脹,要實現更小的層間距具有相當大的挑戰。有證據表明,層間距d在0.64納米到0.98納米范圍內氧化石墨烯薄膜系統能夠對常見鹽的水合離子進行有效的過濾。

  基于這些發現,曼徹斯特大學的研究人員找到了一種方法(在氧化石墨烯薄膜的兩側引入環氧樹脂)能夠有效地控制孔徑的擴張。經實驗證實,用他們的方法能夠使氧化石墨烯薄膜對氯化鈉的離子的過濾率高達97%,這意味著該膜系統能夠很好地進行過濾常見的鹽離子。

  這完全可以稱得上是該領域內一件具有里程碑式的成就。

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