石墨烯分子筛引领海水淡化技术革命

石墨烯分子筛引领海水淡化技术革命

石墨烯薄膜(图片来自:曼彻斯特大学)

近年来,氧化石墨烯薄膜引起了人们的高度关注,尤其是它在新型过滤技术领域的应用。最近,曼彻斯特大学国家石墨烯研究院(National Graphene Institute,NGI)的研究人员又取得了令人欣喜的突破,他们研制出的石墨烯薄膜能够直接滤除盐分,淡化海水。这项研究成果有望应用到实际当中,为数百万缺水民众提供足够的清洁水源。这项研究发表在2017年4月3日出版的《自然纳米科技》(Nature Nanotechnology)上。

在此之前,研究人员就已经发现石墨烯薄膜在气体分离、水过滤等方面的潜在应用价值。例如,NGI先前研制的氧化石墨烯薄膜可以滤除纳米颗粒、有机分子、以及一些相对较大的盐类物质。要想用于海水淡化,石墨烯薄膜还需要能够滤除盐分。不过,这种石墨烯薄膜的孔径还是太大了,所以不能滤除海水中的盐分。

曼彻斯特大学的研究人员曾报道过,氧化石墨烯薄膜在水中会轻微膨胀,这样一来,薄膜可以拦截较大的离子或分子,但较小的盐类物质仍然可以与水一起穿过薄膜。

在此次的研究中,曼彻斯特大学领导的研究团队更进一步地探索了石墨烯薄膜,开发出了新方法,可以避免石墨烯薄膜遇水膨胀。研究人员首次实现了对石墨烯薄膜孔径的精确控制,小到可以直接滤除盐分,把海水变成可以饮用的洁净水。

随着气候变化的影响加深,现代城市的水供应出现紧张,促使富裕国家在海水淡化技术方面不断加大投入。在加利福尼亚州发生了严重的洪水灾害之后,其它大城市也开始大力探索水资源供应的替代方案。

在盐分溶于水之后,水分子会将盐分包裹起来,形成水分子“壳层”。氧化石墨烯薄膜正是利用这一现象,将盐分拦截在薄膜微孔之外的,但与此同时水分子却可以快速穿过石墨烯薄膜。因此,这种新型石墨烯薄膜是海水淡化的理想材料。

曼彻斯特大学Rahul Nair教授说:“这项研究在可规模化生产的石墨烯薄膜上实现了原子级的均匀孔径,意义非凡。在未来,该研究成果有望用于提升海水淡化效率。”

Jijo Abraham先生与Vasu Siddeswara Kalangi博士是这项研究的共同第一作者。Abraham先生说:“这次研发出来的薄膜不仅仅可以用于海水淡化。通过孔径尺寸的原子级调控,我们可以按尺寸需求定制石墨烯薄膜,滤除特定离子。”

据联合国估计,到2025年,将会有14%的世界人口面临水资源匮乏的问题。这项新型石墨烯技术有望在全球范围内掀起水过滤技术革命,让那些负担不起建造大规模海水淡化工厂的国家也能利用这项技术获得干净、安全的饮用水。

来源:曼彻斯特大学

翻译:王舟

原文链接:https://phys.org/news/2017-04-graphene-sieve-seawater.html#ms

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