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石墨烯技术助力海水淡化

发布时间:2017-03-16 21:55:22 浏览次数:619
 

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石墨烯可以更快地脱去海水中的盐分,但在生产更便宜的饮用水的同时,目前还存在着一些未实现的愿望。在很长时间的理论计算中,石墨烯的脱盐能力要好于水过滤材料,只是实践中的测试还很少。

  地球上有七亿四千八百万人无法饮用到干净的饮用水,而与此同时全球饮用水需求日益增加,所以从海水中获得干净的饮用水具有非常大的意义。

  石墨烯表面排斥水,但浸入水中的石墨烯薄膜毛细通道却允许水快速渗透。对此,美国麻省理工学院、英国曼彻斯特大学、中国科学技术大学等众多高等院校、科研机构都作了不少研究与尝试,以探索石墨烯纳米通道快速过滤离子的机理,寻找将这种备受瞩目的新材料应用于海水净化的方法。

  以飞机制造闻名的美国康采恩Lockreed Martin申请了一项专利,旨在将石墨烯用作海水过滤材料。不仅是美国人,欧盟也在石墨烯上投入了大量资金:在石墨烯旗舰联盟里,有一个专门研究石墨烯箔片膜性质的小组。联盟的一些公司对石墨烯潜在应用也表示了很大兴趣,比如BASF和纳米膜生产商CNM技术公司,允许大学和研究所在公司的工业环境下测试石墨烯纳米膜的过滤性能。

一个原子的厚度

  但有关石墨烯脱盐的最新研究成果并不是Lockreed Martin和欧盟石墨烯旗舰计划获得的,而是来自于美国田纳西州的Oak Ridge国家实验室。实验室通过制造并修改石墨烯,实现了水和盐的完全分离。虽然实际操作时分离的时间长于理论计算得出的时间,但与目前材料的过滤速度相比,数值已经超过了一个数量级。这种超薄膜实现了所谓的“弹道运输”,因为水分子在穿过膜孔时只须经过很短的一段路程,不会碰撞到膜壁上,这就意味着水分子在传输过程中不会遇到阻力,也不会发生散射,这使得传输过程非常快。

  但是这对于石墨烯的结构要求非常高。研究者首先将石墨烯分离到铜箔上,然后再将它们分开,通过这种方法可以石墨烯薄膜上获得毛细通道。这些毛细通道的直径必须具备一个最佳尺寸,过大会使盐离子通过,过小就会阻碍水分子运输。石墨烯本身是不允许气体分子透过的,所以没有毛细孔完全不行。为此,研究者将石墨烯箔片暴露在氧等离子体中,带电的氧离子与碳原子发生反应,石墨烯箔片上便会产生毛细孔。

理想条件在实践中难以实现

  研究人员让盐水流经带有毛细通道的石墨烯箔片,有时盐水顺利通过,有时在两个装有不同浓度盐水的容器之间石墨烯会形成通道。在所有的实验室条件下石墨烯箔片几乎表现出很好的过滤性能,只是流动速率在较大差异的数量级水平上变化。研究小组的科学家Ivan Vlassiouk说:“这对我们来说是个谜团。目前推测,石墨烯中的一些孔洞会被盐离子阻塞,因为在那里我们使用了更高浓度的盐水。它的含盐量不能与海水等同。更确切地说,实验室的盐水浓度与淡海水的浓度相同,含盐量不到百分之一,而海水的含盐浓度为百分之三点五。”

  Vlassiouk下一步将在实验中使用真正的海水取代实验室混合盐水,进而探讨石墨烯到底在工业过滤海水的应用中能走多远。未处理过的海水中除了盐分,也含有大量的有机化合物及微生物。尤其是微生物会在水处理过程中带来麻烦,它们会聚集在过滤膜表面进而堵塞过滤膜。人们希望在这种超薄的石墨烯薄膜上不会出现这种所谓的“生物堵塞”,因为微生物很难附着在光滑的表面上,但这还需要进一步的证实。另外,这种“被穿孔”的石墨烯箔片生产过程也完全不适用于工业中:毕竟在测试阶段,Oak Ridge国家实验室的研究人员只使用了一个直径为5毫米的石墨烯小片段。

广告vs科学

  海水淡化有很多种方法,其中在逆渗透海水淡化法中石墨烯具有替代目前膜材料的潜能。Lockreed Martin公司的一位工程师认为,在脱盐装置中使用石墨烯,可以提高百倍效率,从而减少能量消耗。而来自耶鲁大学的科学家Menachem Elimelech反对这一观点。他精确地计算了脱盐装置中的能量损耗,使用装有能量回收系统的现代脱盐设备处理一升水,可以将能量消耗从5瓦时降低到2瓦时。其中一半的能量是热动力学必须的,用于在逆渗透过程中建立足够的压力,而这一点是石墨烯不能改变的。

  Menachem Elimelech教授认为,在保持相同流速的同时,人们可以通过制造出更小面积的薄膜来降低费用,但是所有的运行程序要适应小面积的过滤膜。这样做是否值得,科学家们对此提出了问题,因为它们发现了渗透膜另一个重要的优化需求:对抗微生物的阻力。微生物会降低渗透膜的能效,因此渗透膜需要经常更换。为此,我们可以加入氧气,使其与石墨烯结合,生成氧化石墨烯,覆盖在渗透膜上的氧化石墨烯就可以作为保护层。现在还不明确每个石墨烯层的性能,而且更高的通过率可能将引起更大的堵塞率。

  除了通过石墨烯优化反渗透作用,科学家们还发现了脱盐装置更大的节能潜力。Lockreed Martin公司在节能方便预估了石墨烯的前景:百分之十至百分之二十的节能空间。这个数值相当于许多德国家庭一整年的耗电量。

  欧盟石墨烯旗舰联盟的人员表示,目前石墨烯的研究还处在基础阶段,但是对它的未来发展充满信心。这种超薄的石墨烯薄膜,可以使水分子的流动时间忽略不计,之前还没有出现过类似的一种材料。不过在丰满的理论与实际的基础研究之间,“神奇材料”还需要时间。


 
 

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