石墨烯海水淡化技術(shù)獲重大突破助力緩解水危機(jī)
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(jù)統(tǒng)計(jì)，世界上約有6.63億人住在沒有飲用水供給的地區(qū)，很多人需要跋涉好幾個(gè)小時(shí)才能獲取干凈水源。
緩解水危機(jī)
非洲有1/3人口缺乏飲用水，近半數(shù)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(guó)家都紛紛開始開發(fā)海水淡化系統(tǒng)。但眾多缺水的發(fā)展中國(guó)家根本無(wú)法負(fù)擔(dān)由此帶來(lái)的巨額成本。
現(xiàn)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(guò)濾技術(shù)。這項(xiàng)最新研究成果發(fā)表在了《NatureNanotechnology》上。
這項(xiàng)新技術(shù)誕生于世界頂尖的石墨烯科研機(jī)構(gòu)——曼徹斯特大學(xué)“國(guó)家石墨烯研究所”。該研究所已經(jīng)出過(guò)一位諾貝爾獎(jiǎng)得主——那就是大名鼎鼎的“石墨烯之父”安德烈·海姆（AndreGeim）。
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（KonstantinNovoselov）獲得2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。安德烈·海姆也是本次論文的通訊作者之一。
石墨烯之父
石墨烯之父：安德烈·海姆教授
“石墨烯之父”安德烈·海姆教授（如上圖），任教于曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)院，也是曼徹斯特大學(xué)國(guó)家石墨烯研究所的牽頭人之一，在他的職業(yè)生涯中，海姆發(fā)表了超過(guò)150篇的頂尖文章，其中很多都發(fā)表在《自然》和《科學(xué)》雜志上。或許我們對(duì)這位“石墨烯之父”所知甚少，但對(duì)于常被稱為“奇跡材料”石墨烯，相信大多數(shù)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(fā)絲的二十萬(wàn)分之一）、強(qiáng)度最大（最大強(qiáng)度鋼的200多倍）、質(zhì)量最輕、導(dǎo)電和導(dǎo)熱性最好、透光性（白光透光率可達(dá)97.7%）和電子傳輸性最優(yōu)異（電子在石墨烯中傳輸速度是在硅中傳輸速度的數(shù)百倍）的新型材料。因此，石墨烯幾乎在每個(gè)行業(yè)都有潛在的應(yīng)用前景。
然而，石墨烯在名聲大噪后，并沒有很快進(jìn)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(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)。一方面，使用諸如化學(xué)氣相沉積（CVD）的方法很難生產(chǎn)出大量的單層、性能優(yōu)異的石墨烯；另一方面，生產(chǎn)成本又太高。
然而，石墨烯的衍生物——氧化石墨烯——能夠在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)簡(jiǎn)單的氧化生產(chǎn)出來(lái)。在墨水或一些溶液中，科學(xué)家們利用某些基底材料或多孔材料來(lái)合成氧化石墨烯，然后再將其用于膜系統(tǒng)。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(yōu)勢(shì)。
總之，氧化石墨烯薄膜的獨(dú)特性質(zhì)使其成為過(guò)濾或脫鹽領(lǐng)域的最佳候選膜。曼徹斯特大學(xué)的科學(xué)家們現(xiàn)在已經(jīng)展示了如何將氧化石墨烯薄膜用于高效的過(guò)濾系統(tǒng)，海水淡化取得了實(shí)質(zhì)性的重大突破。
該研究團(tuán)隊(duì)表示，這種膜不僅能用于脫鹽，而且可調(diào)諧其孔徑以過(guò)濾更多類型離子。孔徑均勻的可伸縮膜如果能達(dá)到原子級(jí)別的孔徑，這將是一個(gè)重大突破，這將為提高海水淡化技術(shù)的效率打開一扇新的大門。
其實(shí)，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(jīng)在分離氣體和過(guò)濾離子等領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)步。
之前，曼徹斯特大學(xué)的一項(xiàng)研究表明，氧化石墨烯薄膜浸入到水中，它們會(huì)發(fā)生一些變形，使薄膜的孔徑變大，因此體積較小的離子就會(huì)隨著水流穿過(guò)薄膜，而體積較大的離子或分子會(huì)被阻隔，這就起了一定程度的過(guò)濾作用。
而現(xiàn)在，曼徹斯特大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的最新研究成果顯示，這些氧化石墨烯薄膜得到了進(jìn)一步優(yōu)化，避免了在水流過(guò)薄膜時(shí)造成的孔徑擴(kuò)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(guò)濾后的水能夠飲用，且更安全。
毫無(wú)疑問，這次的成果具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。一方面，按照聯(lián)合國(guó)的“持續(xù)發(fā)展目標(biāo)”，到2030年，世界上的每個(gè)人都能得到基本的淡水資源，然而目前形勢(shì)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(huì)導(dǎo)致淡水資源的短缺。長(zhǎng)期下去，這些因素又會(huì)進(jìn)一步影響糧食生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、能源與工業(yè)。淡水資源的匱乏已經(jīng)給人類帶來(lái)了不容忽視的威脅。
聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)，到達(dá)2025年，世界上將有14%的人口面臨著缺水的威脅。這項(xiàng)技術(shù)有望革新全世界范圍內(nèi)的過(guò)濾水技術(shù)，特別是對(duì)于那些不能承擔(dān)起建立大規(guī)模脫鹽工廠的國(guó)家極為有利。
根據(jù)這項(xiàng)研究成果，人們可以按需設(shè)計(jì)氧化石墨烯薄膜的孔徑，以實(shí)現(xiàn)“按需過(guò)濾”。地球上有充足的水資源，海洋就是我們充足的水資源庫(kù)，如果我們能夠大規(guī)模制造這種薄膜系統(tǒng)用于海水淡化，淡水危機(jī)就能很好地解決。
目前，許多發(fā)達(dá)國(guó)家都在加大投資海水淡化技術(shù)，因此該技術(shù)也正處于發(fā)展的關(guān)鍵期。
然而，這種石墨烯薄膜系統(tǒng)要具有商業(yè)可行性還可能需要一段時(shí)間。這些研究人員的終極目標(biāo)是構(gòu)建一個(gè)高效的過(guò)濾工業(yè)廢水和海水的凈化裝置。主要面臨的挑戰(zhàn)有如下三點(diǎn)：
第一，在工業(yè)上，要大規(guī)模地、廉價(jià)地生產(chǎn)穩(wěn)定的、可持續(xù)在惡劣環(huán)境中工作的氧化石墨烯薄膜系統(tǒng)還必須考慮到該薄膜系統(tǒng)如何抗有機(jī)物、鹽、和生物材料的腐蝕;
第二，研究人員如何大規(guī)模地生產(chǎn)這種氧化石墨烯薄膜，并且具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用價(jià)值也是他們面臨的一項(xiàng)的巨大挑戰(zhàn);
第三，石墨烯薄膜的生產(chǎn)過(guò)程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生缺陷，如造成薄膜上不均勻的孔洞，這些孔洞對(duì)過(guò)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(duì)水的透過(guò)性阻力較小，能夠用于過(guò)濾和分離，質(zhì)子導(dǎo)體，能量存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域。然而，它們?cè)陔x子篩分和脫鹽技術(shù)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(guò)此膜，大于0.9納米的離子才能被有效過(guò)濾。
理論證明0.9納米的閾值是由氧化石墨烯薄膜系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)更小的層間距具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。有證據(jù)表明，層間距d在0.64納米到0.98納米范圍內(nèi)氧化石墨烯薄膜系統(tǒng)能夠?qū)ΤＲ婝}的水合離子進(jìn)行有效的過(guò)濾。
基于這些發(fā)現(xiàn)，曼徹斯特大學(xué)的研究人員找到了一種方法（在氧化石墨烯薄膜的兩側(cè)引入環(huán)氧樹脂）能夠有效地控制孔徑的擴(kuò)張。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，用他們的方法能夠使氧化石墨烯薄膜對(duì)氯化鈉的離子的過(guò)濾率高達(dá)97%，這意味著該膜系統(tǒng)能夠很好地進(jìn)行過(guò)濾常見的鹽離子。
這完全可以稱得上是該領(lǐng)域內(nèi)一件具有里程碑式的成就。