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过滤媒介 | 石墨烯膜将海水变成饮用水

来源:荣格 发布时间:2017-12-13 566
工业金属加工泵与过滤 技术前沿
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曼彻斯特大学一个研究团队最近一项研究发现,石墨烯膜具有清洁饮用水的潜力。本文介绍了什么是石墨烯,为什么它是如此有效的过滤方法,以及这项研究对海水淡化脱盐技术的意义。

石墨烯是由数以百万计的超薄碳层堆叠在一起形成的石墨制成的,最常见于铅笔中。对它的研究最早始于1947年,而直到1984年,人们才发现可通过石墨烯载流子有效传递电流。1987年,“石墨烯”这个名称被首次提出,用以描述中间嵌有各种化合物的石墨层。这一术语被广泛用于由石墨烯薄片组成的碳纳米管的研究。

自20世纪70年代以来,人们一直尝试以求在其他单晶表面上“长出”石墨烯。但这些表面上常会产生强烈的作用力,阻碍对石墨烯真实性质的实验测量。

最新研究

曼彻斯特大学的一个科学家团队开发了石墨烯膜,以精确控制膜中的孔径,从盐水中筛选出常见的盐,使之可被安全饮用。

石墨烯膜(图片来源:曼彻斯特大学)。

这项新研发最近被发表在《自然纳米技术》杂志上。该国家石墨烯研究所开发的氧化石墨烯薄膜,已被证明具有可过滤小纳米颗粒、有机分子甚至是大盐粒的潜力。到目前为止,它们还不能被用于海水淡化脱盐技术以筛选的普通盐,因为那些需要更小的过滤筛。

曼彻斯特大学之前的研究发现:氧化石墨烯膜浸入水中后,会略微肿胀,较小的盐与水可以一起流过膜,而较大的离子或分子会被堵塞。现在,人们已经发现了制造可筛选普通盐的膜的方法。

该研发团队进一步开发了这些石墨烯膜,发现了在膜暴露于水中时避免其肿胀的一种方法,可精确控制膜的孔径,将普通盐从盐水中过滤出来,使之可被安全饮用。

当普通盐溶解在水中时,总会在盐分子周围形成一个水分子“壳层”,使得氧化石墨烯膜上的细小管道,能够阻止盐随着水一起流动。而水分子能够通过膜的屏障,流量异常快速。所以使它成为海水淡化脱盐的理想应用方案。

Rahul Nair教授是此曼彻斯特大学团队中的一位成员。他介绍说:“这种伸缩膜具有均匀孔径,将尺寸降低到了原子级,意义重大,为提高海水淡化技术的效率开辟了新的可能性。”他还补充说:“这是此领域第一个具有明确突破性的实验。我们可展示上述方案的测量方法以及批量生产所需过滤尺寸的石墨烯基膜的现实可能性。”

Jijo Abraham先生和Vasu Siddeswara Kalangi博士是此研究论文的并列第一作者。“这款膜不仅可实现海水淡化,其原子级的孔径尺寸也为预制膜据其大小按需过滤离子,开辟了新的机会。” Abraham先生表示。

随着气候变化持续降低现代城市水供应这个不良影响的加剧,众多富裕的现代国家纷纷开始投资海水淡化技术。在加利福尼亚发生严重水灾之后,越来越多的繁华大城市也在寻找替代水的解决方案。

联合国预测,到2025年底,世界上14%的人口将面临缺水问题。这项技术有可能彻底改变世界各地的水过滤,特别是在那些负担不起大型海水淡化厂的国家。

人们希望氧化石墨烯膜尺寸可以更小,使这项技术更易于为那些没有财政基础设施的国家提供资金,而又不影响其淡水产出量。

研究历史

石墨烯的魅力源于其卓越的物理性能,以及这些特性可能带来的未来应用潜力。虽然科学家们知道厚度仅为一个原子的二维结晶石墨烯的存在,但没人知道如何从石墨中提取石墨烯。直到2004年,曼彻斯特大学的两位研究人员、曾于获2010年因其开创性的成就而获得诺贝尔物理学奖的Andre Geim 教授和Kostya Novoselov 教授成功提取分离。

曼彻斯特大学研究团队中的Rahul Nair教授。

自2004年以来,曼彻斯特大学在石墨烯研究领域持续保持了世界领先的地位。在石墨烯和二维材料的演变上,每年发表数百篇研究论文。从最早的基础研究中发现石墨烯的最新特性后,曼彻斯特的科学家们开始开发新应用,发掘新的先进材料。

石墨烯过滤

石墨烯超轻,非常坚韧,比钢强200倍,但仍非常灵活。它是地球上最薄的材料之一,比人的头发薄一百万倍,也是一种高效导体,可充当完美屏障。氧化石墨烯膜能有效分离有机溶剂和水,并将水从气体混合物中除去,水平极高,已被证明甚至可阻止氦这种最难阻挡的气体。

海水淡化上应用的一小片石墨烯膜。

所有这些性质,使氧化石墨烯膜具有足以应用于新领域的潜力,表现出令人惊异的气体分离及水过滤性能。

石墨烯涂层

可用作完美屏障的那层原子,有可能使无数工业流程发生革命性变化。在食品和药品包装上应用石墨烯涂层,可阻止水和氧气的转移,使食品和易腐物品保持新鲜的时间更长。目前,将发电站排放到大气中的有害二氧化碳去除这个工作,仍未实现成规模化。但石墨烯膜的出现,有可能改变这种状况。

曼彻斯特=石墨烯市

此技术的简单易用性,以及其研发的复杂性,使这种膜的潜在应用范围迅速扩大,每天,研发都会带来新想法。

国家石墨烯研究所。

海水淡化只是石墨烯研究系列的一部分。这种材料的应用可以扩大到能源、生物医学、传感器和电子等领域。曼彻斯特大学致力于创建一个以石墨烯为基础的知识经济。他们坚信,只有将科学家、制造商、工程师、创新者和实业家聚集在一起共同研究,才能实现石墨烯的巨大潜力。

他们计划以该大学的核心——国家石墨烯研究所和石墨烯工程创新中心为关键点开展研究。一旦完成,将允许该大学对石墨烯从基础到成品各方面应用进行研发,并将使曼彻斯特成为世界上首个现代化工业城市。


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