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科技前沿

搭配纳米技术,石墨烯完美实现海水淡化
来源:36Kr  2017-04-11 09:30:16
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原文:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4633       石墨烯以独特的力学和电学特性被称为“神奇材料”,但其与水的相互作用却让人困惑:石墨烯表面排斥水,但浸入到水中的石墨烯薄膜毛细通道,却允许水快速渗透。石墨烯与水之间的这种“若即若离”的关系令科学家着迷。基于这种神奇的特性,英国曼彻斯特大学研究人员开发出了一种新型石墨烯氧化物薄膜,能更高效地过滤海水中的盐。在全球淡水资源缺乏的背景下,此项发明未来在海水淡化产业中必然有非常好的应用前景。未来有一天,它是否能够成为改变世界的神奇发明呢?


       近日,来自英国曼彻斯特大学的科研团队研发了一种能滤除海水中盐分的石墨烯筛子,该技术将让数以百万计的人喝上纯净水。这个团队由拉胡尔·奈尔博士(Dr Rahul Nair) 领导,该研究成果发表在了业内顶级期刊《自然·纳米技术》上。

       石墨烯由单层六边形晶体状的碳原子组成,可延展性和导电性极好,是最受瞩目的未来世界新材料之一。但是,现有的生产方法(例如化学气相沉积法)不仅成本高昂,而且产量很小,石墨烯筛子的批量生产和规模化应用几乎是一件遥不可及的事情。奈尔博士的团队所发表文章中,展示了如何通过使用氧化石墨烯来控制成本,从而解决这一难题。

       奈尔博士介绍说,氧化石墨烯可以通过简单的氧化反应来制造。他告诉BBC记者,“一开始,作为一种墨水——或者说溶液,我们可以先在基质上或者可渗透性材料上构造它,然后再将其作为膜来使用。”他提出,在规模化生产和成本控制方面,氧化石墨烯相比起单层石墨烯原子有着潜在的优势。

       关于单层石墨烯,奈尔博士说:“为了让膜具有渗透性,我们要在上面钻出小孔。但如果孔的直径大于一纳米,盐分子就能够穿过。所以,我们要制作出一张均匀分布着小于一纳米的孔的薄膜,才能达到过滤海水中盐分的效果。这个工作非常具有挑战性。”

       氧化石墨烯筛除纳米粒子、有机分子和无机盐的能力早已得到证实,但是时至今天,它仍然很难被应用于过滤普通食盐,因为后者的粒子更小,对筛子的精细度要求更高。

       已有的实验表明,当被浸泡在水中时,氧化石墨烯薄膜会出现一定程度的膨胀,使得盐分子能够穿透膜上的小孔而达不到过滤效果。针对这一问题,奈尔博士和他的同事们用环氧树脂(这是一种在胶水和涂料中被广泛应用的材料)制作成“阻隔壁”放置在膜的两侧,就可以有效防止薄膜的膨胀。

       同时,对膨胀程度的控制,也使得科学家们能够根据需要调整盐的过滤程度。

       当普通的盐在水中溶解时,水分子会在盐分子外面组成一层“外壳”。这使得氧化石墨烯薄膜上的毛细管能够吸附盐分子,而不是随着水流走。奈尔博士说:“水分子可以通过管道,但是氯化钠不可以。氯化钠溶解在水中总是需要水分子的帮助,外面包裹着‘水壳’的氯化钠比石墨烯薄膜的管道直径要大,所以它不能通过。”

       与此相反的是,水分子可以快速通过这层膜。因此这是非常理想的海水淡化装置。

       “当毛细管的直径在一纳米左右——很接近一个水分子的大小,水分子就会井然有序地排列通过,就像一列火车一样。”奈尔博士说,“这使得水通过过滤的速度变快,如果你在一侧施加压力,那么由于氢键的作用,水分子会全部到另一侧去。这只有当毛细管的直径非常小的时候才能实现。”

       联合国预计到2025年全世界百分之十四的人将面临淡水资源缺少的问题。随着气候的变化,城市水供应量将会不断下降。发达的现代国家们开始加大海水淡化装置的研发力度。

       目前世界上最常见的淡化装置使用的是聚合物薄膜。

       “这是我们首次展示我们能控制膜上的小孔、能够进行海水淡化,这在以前是不可能的。下一步我们将会把它与市面上最先进的材料进行对比。”奈尔博士说。“通过物理手段将水从离子溶液中分离出来可以说是打开了一扇降低海水净化成本的大门。总之,我们最终的目的是以海水或者废水为原料,用最少的能量投入来产出可饮用水。”  文章来源:http://chinacompositesexpo.com/cn/news.php?show=detail&c_id=288&news_id=4633