向大海要水喝有新招 石墨烯摁下海水淡化快捷鍵
發布時間：2019-04-10 17:08 來源：m.bn1p3.cn 點擊數： 次
作為本世紀的“神奇材料”，石墨烯與水之間的相互作用機理卻并不為人們所了解。所幸，據日前出版的《科學》雜志報道，中英兩國組成的科研團隊成功在石墨烯功能材料研究方面取得突破性進展，發現了氧化石墨烯薄膜具有精密快速篩選離子的性能。
“有一種物質，如同愛麗絲仙境一般神奇，那就是石墨烯。”在《中國制造2025》中選擇的10大重點突破技術和戰略產業中，石墨烯材料是前沿新材料領域的四大重點之一。作為目前發現的厚度最薄、強度最高、導電性能最好的新型納米材料，石墨烯被稱為可改變21世紀的“神奇材料”。
何謂石墨烯？提起石墨我們一定不陌生，最常用的鉛筆筆芯就是石墨與黏土的混合，而石墨烯的主要來源就是石墨。雖然“出身”平平，卻不影響石墨烯技驚四座。它不僅是迄今為止自然界最薄的材料，也是強度最高的材料，石墨烯的斷裂強度比最好的鋼材還要高出200倍。石墨烯的彈性驚人，可被無限拉伸和彎曲，抗壓能力、導熱和導電性也令它在諸多材料中嶄露頭角。
同樣地，石墨烯在水處理領域的應用也堪稱神奇。在眾多業界人士看來，石墨烯以獨特的力學和電學特性被稱為“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，但浸入到水中的石墨烯薄膜毛細通道，卻允許水快速滲透。石墨烯與水之間的這種“若即若離”的關系令科學家著迷。
據新華社此前報道，氧化石墨烯薄膜在氣體分離和水處理方面已經展示了很大的應用潛力，但現有的這類薄膜還無法適應海水淡化工藝要求。曼徹斯特大學此前的研究就發現，如果將這類薄膜浸泡在水中，它會輕微膨脹，微小的鹽離子會隨著水流滲透薄膜，無法完成對鹽的過濾。
為解決上述問題，英國曼徹斯特大學與中國科學技術大學的研究團隊合作，成功組建了一個能夠從海水中去除鹽類物質的石墨烯氧化物篩網，利用環氧樹脂涂層在薄膜兩邊形成“阻隔墻”，有效控制薄膜在水中的膨脹程度。這一方法能夠更精確地控制薄膜上微空隙的大小，不讓它因薄膜膨脹而變得過大，從而實現對細小鹽離子的過濾。這一發現合理解釋了實驗結果，也被稱為“離子海綿效應”。
用計算機模擬石墨烯納米通道快速過濾離子的過程發現，石墨烯與離子之間的相互作用，使離子在納米通道中聚集，從而促進了離子的快速擴散。如果將這類薄膜浸泡在水中，它會輕微膨脹，微小的鹽離子會隨著水流滲透薄膜，無法完成對鹽的過濾。這意味著，制造一個幾分鐘內將一杯海水淡化成飲用水的過濾裝置有望成為現實，已不再是科幻小說場景。
誠然，利用石墨烯這一特性，未來人類讓大海變成巨大淡水庫或許不再是天方夜譚。聯合國曾經預測過，到了2025年，全球將有14%的人口面臨水源緊張的情況。隨著氣候變化降水量持續減少城市水資源供應開始緊張，發達國家也不得不大力發展海水淡化技術。而這項技術的成熟或許會解決全球的淡水資源供應緊張的問題。
“除了推行節水措施、提高利用效率、開展跨流域調水等方式，我們必須實施海水有效利用與代替，向大海要水‘喝’。”在國家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所所長李琳梅看來，目前，國際上海水淡化技術日趨成熟，已形成產業，增長速度和應用領域日益擴大，全球已有160多個國家應用淡化技術。顯然，石墨烯的“華麗轉身”無疑將助推海水淡化產業迎來實質性利好。
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