新研究發(fā)現(xiàn),氧化石墨烯在實(shí)驗(yàn)室中能夠有效過濾水中97%的氯化鈉,它會(huì)成為解決淡水危機(jī)的靈丹妙藥嗎?
據(jù)聯(lián)合國(guó)估計(jì),到2025年,將有18億人生活在絕對(duì)缺水的地區(qū),同時(shí)約三分之二的人口將面臨用水緊張[1]。嚴(yán)格說來,我們的藍(lán)色星球并不缺“水”——地表超過七成面積被海洋覆蓋。人們守著這個(gè)巨大“寶庫(kù)”,卻無力掘出寶藏。
因此,不少發(fā)達(dá)國(guó)家開始投資發(fā)展海水淡化技術(shù)。利用膜材料進(jìn)行選擇性分離是淡化的常用方法之一,典型的材料包括聚合物分離膜等。但目前的技術(shù)條件幾乎都存在問題,要么耗能巨大,要么對(duì)環(huán)境有負(fù)面影響等等[2]。
實(shí)驗(yàn)中的新材料
在實(shí)驗(yàn)室中,科學(xué)家探索著新型材料石墨烯家族在這一領(lǐng)域的應(yīng)用可能。一種石墨烯衍生物也吸引了研究者的目光——氧化石墨烯(graphene oxide,也稱石墨烯氧化物)。氧化石墨烯的制備過程較為簡(jiǎn)單,具有較大的應(yīng)用可能。
之前,氧化石墨烯已經(jīng)被證實(shí)能夠過濾一些納米顆粒及有機(jī)分子,但對(duì)尺寸更小的鹽卻束手無策。氯化鈉在水中溶解后,離子會(huì)被水分子簇?fù)恚車纬梢粚印八ぁ保此蠈印栴}是,氧化石墨烯長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中后會(huì)變形擴(kuò)張,因此很難進(jìn)行有效的分離。
氧化石墨烯膜系統(tǒng)機(jī)制示意圖。紅灰相間的代表水分子,而綠色與藍(lán)色圓點(diǎn)代表離子。左圖是浸泡變形的氧化石墨烯膜系統(tǒng),層間距變大而無法有效進(jìn)行有效分離。右圖是新研究中處理后的膜系統(tǒng)。
最近,英國(guó)的一組科學(xué)家解決了這個(gè)棘手的問題。他們利用環(huán)氧樹脂在氧化石墨烯側(cè)面“筑墻加固”,不僅有效地阻止了變形,還能更精確地調(diào)控氧化石墨烯層間的間距[3]。
“當(dāng)這個(gè)‘毛細(xì)管’尺寸十分接近水分子,大約1納米時(shí),水分子就會(huì)像一列火車一樣有序地排列通過通道。”研究者拉胡爾·耐爾(Rahul Nair)在接受BBC采訪時(shí)介紹[4]。
從實(shí)驗(yàn)室到流水線
目前,這種方法能夠有效過濾97%的氯化鈉。盡管看起來前景光明,但它暫時(shí)仍僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室。要知道,許多研究中的“潛力股”都敗在了邁向工業(yè)生產(chǎn)的環(huán)節(jié)。先前也有研究嘗試將石墨烯作為淡化膜,但因石墨烯制備難度大、成本高而止步不前。
雖然氧化石墨烯確實(shí)相對(duì)容易制備,可實(shí)現(xiàn)低成本的工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)還有很長(zhǎng)的路要走。
此外,應(yīng)用層面的諸多問題仍有待解決。比如這種材料是否經(jīng)得起長(zhǎng)期的海水浸泡的考驗(yàn),以及如何在使用過程中清理污垢,或定期更換過濾材料。材料學(xué)家拉姆·德文納森(Ram Devanathan)認(rèn)為,可以考慮在材料中加入一些納米顆粒或者親水基,或許能提高膜系統(tǒng)的性能[2]。
接下來,科學(xué)家們計(jì)劃把這種新材料和現(xiàn)有材料作比較,挖掘這種新材料的更多潛力[3]。最終的目標(biāo)是希望開發(fā)出一種低能耗高效的過濾膜系統(tǒng)[2]。
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