石墨烯海水淡化技術獲重大突破助力緩解水危機
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，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小時才能獲取干凈水源。
緩解水危機
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)展中國家根本無法負擔由此帶來的巨額成本。
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——氧化石墨烯薄膜過濾技術。這項最新研究成果發(fā)表在了《NatureNanotechnology》上。
這項新技術誕生于世界頂尖的石墨烯科研機構——曼徹斯特大學“國家石墨烯研究所”。該研究所已經(jīng)出過一位諾貝爾獎得主——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年諾貝爾物理學獎。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物理學院，也是曼徹斯特大學國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150篇的頂尖文章，其中很多都發(fā)表在《自然》和《科學》雜志上?；蛟S我們對這位“石墨烯之父”所知甚少，但對于常被稱為“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)絲的二十萬分之一）、強度最大（最大強度鋼的200多倍）、質(zhì)量最輕、導電和導熱性最好、透光性（白光透光率可達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，石墨烯幾乎在每個行業(yè)都有潛在的應用前景。
然而，石墨烯在名聲大噪后，并沒有很快進入人們的日常生活。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——能夠在實驗室通過簡單的氧化生產(chǎn)出來。在墨水或一些溶液中，科學家們利用某些基底材料或多孔材料來合成氧化石墨烯，然后再將其用于膜系統(tǒng)?？紤]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。
總之，氧化石墨烯薄膜的獨特性質(zhì)使其成為過濾或脫鹽領域的最佳候選膜。曼徹斯特大學的科學家們現(xiàn)在已經(jīng)展示了如何將氧化石墨烯薄膜用于高效的過濾系統(tǒng)，海水淡化取得了實質(zhì)性的重大突破。
該研究團隊表示，這種膜不僅能用于脫鹽，而且可調(diào)諧其孔徑以過濾更多類型離子。孔徑均勻的可伸縮膜如果能達到原子級別的孔徑，這將是一個重大突破，這將為提高海水淡化技術的效率打開一扇新的大門。
其實，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)在分離氣體和過濾離子等領域取得了很大的進步。
之前，曼徹斯特大學的一項研究表明，氧化石墨烯薄膜浸入到水中，它們會發(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隨著水流穿過薄膜，而體積較大的離子或分子會被阻隔，這就起了一定程度的過濾作用。
而現(xiàn)在，曼徹斯特大學研究團隊的最新研究成果顯示，這些氧化石墨烯薄膜得到了進一步優(yōu)化，避免了在水流過薄膜時造成的孔徑擴張。
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濾后的水能夠飲用，且更安全。
毫無疑問，這次的成果具有重大的現(xiàn)實意義。一方面，按照聯(lián)合國的“持續(xù)發(fā)展目標”，到2030年，世界上的每個人都能得到基本的淡水資源，然而目前形勢并不樂觀。
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、冰川融化都會導致淡水資源的短缺。長期下去，這些因素又會進一步影響糧食生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、能源與工業(yè)。淡水資源的匱乏已經(jīng)給人類帶來了不容忽視的威脅。
聯(lián)合國預測，到達2025年，世界上將有14%的人口面臨著缺水的威脅。這項技術有望革新全世界范圍內(nèi)的過濾水技術，特別是對于那些不能承擔起建立大規(guī)模脫鹽工廠的國家極為有利。
根據(jù)這項研究成果，人們可以按需設計氧化石墨烯薄膜的孔徑，以實現(xiàn)“按需過濾”。地球上有充足的水資源，海洋就是我們充足的水資源庫，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，淡水危機就能很好地解決。
目前，許多發(fā)達國家都在加大投資海水淡化技術，因此該技術也正處于發(fā)展的關鍵期。
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間。這些研究人員的終極目標是構建一個高效的過濾工業(yè)廢水和海水的凈化裝置。主要面臨的挑戰(zhàn)有如下三點：
第一，在工業(yè)上，要大規(guī)模地、廉價地生產(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)應用價值也是他們面臨的一項的巨大挑戰(zhàn);
第三，石墨烯薄膜的生產(chǎn)過程中不可避免地會產(chǎn)生缺陷，如造成薄膜上不均勻的孔洞，這些孔洞對過濾和分離極其不利。
附錄：背后的原理
通常，氧化石墨烯薄膜對水的透過性阻力較小，能夠用于過濾和分離，質(zhì)子導體，能量存儲和轉化等領域。然而，它們在離子篩分和脫鹽技術中受到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此膜，大于0.9納米的離子才能被有效過濾。
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，要實現(xiàn)更小的層間距具有相當大的挑戰(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)能夠對常見鹽的水合離子進行有效的過濾。
基于這些發(fā)現(xiàn)，曼徹斯特大學的研究人員找到了一種方法（在氧化石墨烯薄膜的兩側引入環(huán)氧樹脂）能夠有效地控制孔徑的擴張。經(jīng)實驗證實，用他們的方法能夠使氧化石墨烯薄膜對氯化鈉的離子的過濾率高達97%，這意味著該膜系統(tǒng)能夠很好地進行過濾常見的鹽離子。
這完全可以稱得上是該領域內(nèi)一件具有里程碑式的成就。