搭配奈米技術,石墨烯完美實現海水淡化

作者 | 發布日期 2017 年 04 月 09 日 23:21 | 分類 尖端科技 , 材料 , 環境科學 follow us in feedly

石墨烯以獨特的力學和電學特徴被稱為「神奇材料」,但其與水的相互作用卻讓人困惑:石墨烯表面排斥水,但浸入水中的石墨烯薄膜毛細通道,卻允許水快速滲透。石墨烯與水之間這種「若即若離」的關係令科學家著迷。基於這種神奇的特徴,英國曼徹斯特大學研究人員開發出一種新型石墨烯氧化物薄膜,能有效地過濾海水中的鹽。在全球淡水資源缺乏的背景下,此項發明未來在海水淡化產業中必然有非常好的應用前景。未來有一天,是否能成為改變世界的神奇發明?



近日,來自英國曼徹斯特大學的科研團隊研發了一種能濾除海水中鹽分的石墨烯篩網,該技術將讓數以百萬計的人喝到乾淨淡水。這個團隊由拉胡爾‧奈爾博士(Dr. Rahul Nair)領導,他們將研究成果發表在《自然‧奈米技術》期刊上。

石墨烯由單層六邊形晶體狀的碳原子組成,延展性和導電性極好,是最受矚目的未來世界新材料之一。但是,現有的生產方法(例如化學氣相沉積法)不僅成本高昂,且產量很少,石墨烯篩網的批量生產和規模化應用幾乎是一件遙不可及的事。奈爾博士的團隊發表文章中,展示了如何透過使用氧化石墨烯來控制成本,進而解決這一難題。

奈爾博士介紹說,氧化石墨烯可以透過簡單的氧化反應來製造。他告訴 BBC 記者,「一開始,做為一種墨水──或說溶液,我們可以先在基質上或可滲透性材料上構造它,然後再將其做為膜來使用。」他提出,在規模化生產和成本控制方面,氧化石墨烯比單層石墨烯原子有潛在優勢。

關於單層石墨烯,奈爾博士說:「為了讓膜具滲透性,我們要在上面鑽出小孔。但如果孔的直徑大於 1 奈米,鹽分子就能穿過。所以,我們要製作出一張均勻分散小於 1 奈米孔洞的薄膜,才能達到過濾海水鹽分的效果,這個工作非常具挑戰性。」

氧化石墨烯篩除奈米粒子、有機分子和無機鹽的能力早已得到證實,但是時至今天,仍然很難應用於過濾普通食鹽,因為後者粒子更小,對篩網的精細度要求更高。

已有的實驗表明,當浸泡在水中時,氧化石墨烯薄膜會出現一定程度的膨脹,使鹽分子能穿透膜上的小孔而無法有過濾效果。針對這一問題,奈爾博士和同事用環氧樹脂(一種在膠水和塗料中廣泛應用的材料)製作成「阻隔壁」在膜的兩側,就可以有效防止薄膜膨脹。

同時,對膨脹程度的控制,也使科學家能根據需要調整鹽的過濾程度。

當普通的鹽在水中溶解時,水分子會在鹽分子外面成一層「外殼」。這使氧化石墨烯薄膜上的毛細管能吸附鹽分子,而不隨著水流走。奈爾博士說:「水分子可以通過導管,但是氯化鈉不可以。氯化鈉溶解在水中總需要水分子的幫助,外面包裹著『水殼』的氯化鈉比石墨烯薄膜的導管直徑要大,所以它無法通過。」

▲ 科學家們將石墨烯篩子與已有的海水淡化薄膜裝置進行對比測試。

與此相反的是,水分子可以快速通過這層膜,因此這是非常理想的海水淡化裝置。

「當毛細管的直徑在一奈米左右──很接近一個水分子的大小,水分子就會井然有序地排列通過,就像一列火車。」奈爾博士說,「這使水通過過濾的速度變快,如果你在一側施加壓力,由於氫鍵的作用,水分子會全部到另一側去。這只有當毛細管的直徑非常小時才能實現。」

聯合國預計到 2025 年全世界 14% 的人將面臨淡水資源缺少的問題。隨著氣候變化,城市水供應量將會不斷下降。發達的現代國家紛紛加強海水淡化裝置的研發。

目前世界上最常見的淡化裝置使用的是聚合物薄膜。

「這是首次展示我們能控制膜上的小孔、能淡化海水,這在以前不可能。下一步我們將會把它與市面上最先進的材料比較。」奈爾博士說。「透過物理手段將水從離子溶液中分離出來,可說是開啟了一扇降低海水淨化成本的大門。總之,我們最終的目的是以海水或廢水為原料,用最少的能量投入產出飲用水。」

(本文由 36Kr 授權轉載;首圖來源:University of Manchester)