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石墨烯基材料是解决淡水危机的灵丹妙药?

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氧化石墨烯

新研究发现,氧化石墨烯在实验室中能够有效过滤水中97%的氯化钠,它会成为解决淡水危机的灵丹妙药吗?

据联合国估计,到2025年,将有18亿人生活在绝对缺水的地区,同时约三分之二的人口将面临用水紧张[1]。严格说来,我们的蓝色星球并不缺“水”——地表超过七成面积被海洋覆盖。人们守着这个巨大“宝库”,却无力掘出宝藏。

因此,不少发达国家开始投资发展海水淡化技术。利用膜材料进行选择性分离是淡化的常用方法之一,典型的材料包括聚合物分离膜等。但目前的技术条件几乎都存在问题,要么耗能巨大,要么对环境有负面影响等等[2]。

实验中的新材料

在实验室中,科学家探索着新型材料石墨烯家族在这一领域的应用可能。一种石墨烯衍生物也吸引了研究者的目光——氧化石墨烯(graphene oxide,也称石墨烯氧化物)。氧化石墨烯的制备过程较为简单,具有较大的应用可能。

之前,氧化石墨烯已经被证实能够过滤一些纳米颗粒及有机分子,但对尺寸更小的盐却束手无策。氯化钠在水中溶解后,离子会被水分子簇拥,周围形成一层“水膜”,即水合层。问题是,氧化石墨烯长时间浸泡在水中后会变形扩张,因此很难进行有效的分离。

氧化石墨烯膜系统机制示意图

氧化石墨烯膜系统机制示意图。红灰相间的代表水分子,而绿色与蓝色圆点代表离子。左图是浸泡变形的氧化石墨烯膜系统,层间距变大而无法有效进行有效分离。右图是新研究中处理后的膜系统。

最近,英国的一组科学家解决了这个棘手的问题。他们利用环氧树脂在氧化石墨烯侧面“筑墙加固”,不仅有效地阻止了变形,还能更精确地调控氧化石墨烯层间的间距[3]。

“当这个‘毛细管’尺寸十分接近水分子,大约1纳米时,水分子就会像一列火车一样有序地排列通过通道。”研究者拉胡尔·耐尔(Rahul Nair)在接受BBC采访时介绍[4]。

从实验室到流水线

目前,这种方法能够有效过滤97%的氯化钠。尽管看起来前景光明,但它暂时仍仅仅局限于实验室。要知道,许多研究中的“潜力股”都败在了迈向工业生产的环节。先前也有研究尝试将石墨烯作为淡化膜,但因石墨烯制备难度大、成本高而止步不前。

虽然氧化石墨烯确实相对容易制备,可实现低成本的工业规模生产还有很长的路要走。

此外,应用层面的诸多问题仍有待解决。比如这种材料是否经得起长期的海水浸泡的考验,以及如何在使用过程中清理污垢,或定期更换过滤材料。材料学家拉姆·德文纳森(Ram Devanathan)认为,可以考虑在材料中加入一些纳米颗粒或者亲水基,或许能提高膜系统的性能[2]。

接下来,科学家们计划把这种新材料和现有材料作比较,挖掘这种新材料的更多潜力[3]。最终的目标是希望开发出一种低能耗高效的过滤膜系统[2]。

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