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]。

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明：北緯40° » 石墨烯基材料是解決淡水危機(jī)的靈丹妙藥？