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石墨烯:海水淡化的未来?

     “到处都是水,但却没有可以喝的。”Samuel Taylor Coleridge的古代水手面临着和今天生活在海边的人们同样的困境。海水中含盐量约为3.5%,但是人类的肾脏不能从超过2%的液体中制造尿液。过多海水的摄入,致使肾脏利用你身体中任何可用的水份来稀释多余的盐,所以不仅不会缓解口渴,反而会有可能死于脱水。

     气候变化给全球许多地区造成干旱,研究人员正在寻求淡化海水的廉价而有效的新技术。在目前的海水淡化技术中,最流行的是反渗透法(RO),盐水被迫通过聚合物膜而过滤掉盐离子。但是由于需要高压的条件(500和1,000 psi之间 – 作为参考,汽车轮胎中的空气大约为40 psi),以及浪费问题(100加仑海水智能得到5到40加仑淡水),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问题。石墨烯是只有一个原子厚度的二维碳薄片。碳原子以六边形的形式排列。石墨烯本身具有优异的柔韧性、轻便性和坚固性。石墨烯作为一种高效反渗透膜的前景正在迅速实现,几家公司和大学(尤其是麻省理工学院和英国曼彻斯特大学)已经在制作脱盐过滤器的设计。

由于石墨烯比传统聚合物膜薄约1000倍,所以它的渗透性要高得多。如果一个市的RO工厂用石墨烯取代目前的聚合物膜,在仍然使用高压泵的情况下,淡水产量将会大大增加。另外,石墨烯提供了一种可以替代目前昂贵泵的方法,因为石墨烯在较低的压力下即可实现海水淡化。

研究人员目前正在研究的问题是如何有效地在石墨烯薄片上创建精确尺寸的孔隙——找到既不太大(否则盐离子可以通过)又不太小(保证水分子可以自由通过)的最佳尺寸(见图)。相关研究发现利用氧化石墨烯可更好的实现这种目的。氧化石墨烯仍然是一个单原子厚度的薄片,但比纯石墨烯更可行,并且具有优异的防污性能。

石墨烯:海水淡化的未来?

图片:DAVID COHEN-TANUGI和JEFFREY GROSSMAN

左边的海水由水分子(红色和白色)、钠和氯(盐)离子(绿色和紫色)组成,通过直径在0.7到0.9纳米之间的单原子厚度的石墨烯薄片。水分子向右通过,而较大的盐离子被阻挡。

海水淡化正迅速成为一项公共卫生重点。最近我们在制造和操作大面积石墨烯方面取得的进展意味着,随着这些单原子厚的碳膜发挥作用,我们将在未来几年内看到一场革命。

本文来自Carbontech,本文观点不代表利特纳米立场,转载请联系原作者。

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