人們對(duì)淡水資源的依賴性有據(jù)可查，在2015年聯(lián)合國(guó)世界水資源發(fā)展報(bào)告中，未來(lái)十五年的全球水需求與水供應(yīng)之間存在40%的短缺。農(nóng)業(yè)對(duì)水的需求量最大，世界上90%的最不發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，可用水和人類健康、食品生產(chǎn)都存在著明顯的關(guān)聯(lián)。
低成本的水需求
許多存在嚴(yán)重水資源短缺的地區(qū)都依靠海水淡化來(lái)進(jìn)行淡水的供應(yīng)。海水淡化的技術(shù)包括反滲透，但是海水淡化處理的水十分昂貴。
加利福尼亞州卡爾斯巴德的海水淡化廠作為最大的海水淡化處理廠，一天供水50加侖，其中7%的飲用水供給圣地亞哥地區(qū)，但這會(huì)消耗能量約750mw/天。大多數(shù)反滲透站的能源消耗超過(guò)水生產(chǎn)成本的50%。
為了解決水壓力的問(wèn)題，所有的水處理技術(shù)都要求精確控制孔隙大小、高度耐污染性和節(jié)約能源，即使將現(xiàn)在的生產(chǎn)效率提高10%也不具有重大的意義。
完美的缺陷
十年前，當(dāng)人們意識(shí)到水中離子和分子的分離都是納米尺度時(shí)，就開(kāi)始利用納米技術(shù)解決水問(wèn)題。關(guān)于實(shí)現(xiàn)水的過(guò)濾進(jìn)行了許多嘗試，但普遍的水過(guò)濾產(chǎn)品尺寸較小，這讓我一度懷疑將納米技術(shù)用于水凈化領(lǐng)域的前景。
幸運(yùn)的是，近來(lái)石墨烯在各種領(lǐng)域包括水凈化領(lǐng)域進(jìn)行不斷的發(fā)展。諾貝爾獎(jiǎng)得主Andrei Geim和Rahul Nair指出，雖然在電子領(lǐng)域，缺陷是需要避免的，但是在水凈化領(lǐng)域，石墨烯的缺陷可以實(shí)現(xiàn)除了水蒸氣之外的高度不透水性。雖然精確控制孔的大小十分困難，但很多人都嘗試將石墨烯應(yīng)用于水凈化領(lǐng)域。
在石墨烯上打孔
田納西州橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的研究人員利用新技術(shù)制造納米多孔石墨烯膜，該石墨烯膜是在單層石墨烯上制備納米孔。該技術(shù)通過(guò)化學(xué)沉積法(CVD)，在氧等離子體上生長(zhǎng)石墨烯，并將一些碳原子從晶格中拔出，來(lái)創(chuàng)建孔洞。與氧等離子體接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，石墨烯的孔越大。
麻省理工大學(xué)(MIT)的研究人員采用將鎵離子束轟擊石墨烯表面來(lái)制備孔洞，然后通過(guò)腐蝕精確控制孔隙的大小。類似地，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員也利用該方法，通過(guò)缺陷進(jìn)行水的運(yùn)輸。
但問(wèn)題是，這些技術(shù)都處于早期階段，目前來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)具有大面積缺陷的石墨烯還不太可能。
過(guò)濾中存在的小孔
膜的使用可能是解決水凈化問(wèn)題最簡(jiǎn)單的方法，但防止膜中污垢的存在比較困難?，F(xiàn)實(shí)中，水含有多種污染物，其中微乳劑油特別容易污染膜，必須使用酸或堿清洗膜，甚至將膜清洗到全新的程度才可以使用。
英國(guó)工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)(EPSRC)最近推出了下一代持久性“永久”膜工程。包括青石全球科技，莊信萬(wàn)豐，贏創(chuàng)，葛蘭素史克，英國(guó)石油(BP)，盎格魯用水，賽文特倫特用水，泰晤士水務(wù)公司和蘇格蘭水務(wù)在內(nèi)的若干家公司，與曼徹斯特大學(xué)聯(lián)合研發(fā)石墨烯材料。
向自然學(xué)習(xí)
石墨烯薄膜也可以應(yīng)用于水凈化領(lǐng)域。南卡羅萊納大學(xué)的Miao Yu 和Hang Li模仿魚(yú)鱗的功能和結(jié)構(gòu)，制備出完全可恢復(fù)的高流量抗污油/水分離膜。
模擬覆蓋魚(yú)鱗表面稀薄黏液層的超薄涂層，并結(jié)合石墨烯的波片結(jié)構(gòu)和膜的內(nèi)在粗糙度，成功地再現(xiàn)了魚(yú)鱗的粗糙分層結(jié)構(gòu)。
膜性能評(píng)估測(cè)試表明，通過(guò)水沖洗膜表面，膜的恢復(fù)程度達(dá)到100%，與傳統(tǒng)膜相比，其純水通量率(膜傳輸?shù)乃?提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這是由于石墨烯片之間存在間距，從而允許水分子利用納米毛細(xì)管作用通過(guò)，阻隔了污染物。
根據(jù)石墨烯水處理膜技術(shù)，公司將其商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計(jì)將直接為海水淡化技術(shù)帶來(lái)高達(dá)90%的節(jié)能率。另外，這項(xiàng)技術(shù)的膜生產(chǎn)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，即將石墨烯片直接沉積在現(xiàn)有的過(guò)濾材料上。
避免重塑
從商業(yè)角度來(lái)看，將石墨烯涂層應(yīng)用于現(xiàn)有的過(guò)濾介質(zhì)很有意義。但是科學(xué)家們常常按照第一原理，試圖重塑材料，這可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的研制時(shí)間出現(xiàn)延誤。
現(xiàn)在的最成功的科技產(chǎn)品(如iPod或Uber)的開(kāi)發(fā)沒(méi)有進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重塑。直接利用現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，可以更快的占領(lǐng)產(chǎn)品市場(chǎng)。
雖然開(kāi)發(fā)出健全、低成本、高效的石墨烯過(guò)濾系統(tǒng)還有許多路要走，但是基于石墨烯可以進(jìn)行水的傳輸，我們別無(wú)選擇。也許未來(lái)我們可以轉(zhuǎn)變思路，找到其他解決日益嚴(yán)重水危機(jī)的辦法。
為了能更快、更持久的凈水，科學(xué)家們將石墨烯這種超薄超強(qiáng)碳片作成薄膜來(lái)濾除污染物，快速凈化大量水體。石墨烯的特殊性能使它成為理想的過(guò)濾膜或海水淡化膜。但是該應(yīng)用中存在一大缺陷：由于將石墨烯制成單層原子超薄膜的過(guò)程極為細(xì)致，在制備過(guò)程中極有可能會(huì)造成材料的破損，從而導(dǎo)致污染物泄露。而現(xiàn)在，工程師們已經(jīng)設(shè)計(jì)出方法來(lái)修補(bǔ)這些漏洞。
工程師們制定了一種利用化學(xué)沉積及聚合技術(shù)來(lái)修補(bǔ)上述漏洞的方法。然后他們利用該團(tuán)隊(duì)之前所研發(fā)的技術(shù)制備了具有均勻微孔的石墨烯薄膜，這些孔小到僅允許水分子通過(guò)。
將這兩種技術(shù)相結(jié)合，研究人員制備出約有一美分大小且無(wú)缺陷的石墨烯薄膜。薄膜大小具有重要意義，因?yàn)槿绻亲鳛闉V膜使用的話，石墨烯薄膜必須制成數(shù)厘米及以上大小。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員讓水通過(guò)已經(jīng)過(guò)缺陷修補(bǔ)和致孔處理過(guò)的石墨烯薄膜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)通過(guò)該膜的水流速度堪比目前的海水淡化膜，而且該膜能夠過(guò)濾大部分的大分子污染物如硫酸鎂、葡聚糖等。
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系副教授說(shuō)，該團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果表明首次成功封填石墨烯膜的缺陷。
至少在實(shí)驗(yàn)室水平上，能封堵石墨烯薄膜的缺陷，使其能夠在宏觀尺度上實(shí)現(xiàn)分子過(guò)濾，而這在之前是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，如果控制得當(dāng)?shù)脑挘笊踔翢o(wú)需缺陷修補(bǔ)這一步驟。不過(guò)這還無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟壳安淮嬖谕昝罒o(wú)缺的石墨烯，總是需要修修補(bǔ)補(bǔ)。這兩個(gè)技術(shù)是制造過(guò)濾膜的例子。
巧妙的轉(zhuǎn)移
目前用來(lái)海水淡化的膜都相當(dāng)厚，大約200納米左右，而利用石墨烯薄膜的好處就是，該膜厚度僅為3埃米，比現(xiàn)有膜薄約600倍，在相同面積下這將提高流速。
2009年該團(tuán)隊(duì)開(kāi)始利用石墨烯來(lái)制備薄膜，由于金屬銅能支持石墨烯以大范圍生長(zhǎng)，故他們所使用的石墨烯是生長(zhǎng)在銅上的。但銅是不能透水的，因此還需要將該石墨烯薄膜再轉(zhuǎn)移到后續(xù)制備的多孔基材上。
然而轉(zhuǎn)移過(guò)程會(huì)對(duì)石墨烯薄膜造成損傷。石墨烯原料當(dāng)中的雜質(zhì)也會(huì)使石墨烯在生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生固有缺陷。
堵漏石墨烯
為了解決上述問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)提出了一種方法來(lái)先解決固有缺陷，再處理轉(zhuǎn)移過(guò)程造成的缺陷。研究人員采用“原子層沉積”技術(shù)處理固有缺陷，他們將石墨烯薄膜放在真空室中，在含有鉿氧化物的環(huán)境中施以脈沖。通常情況下，鉿氧化物不與石墨烯發(fā)生反應(yīng)。然而一旦石墨烯中存在缺陷，由于缺陷處的高表面能，鉿氧化物就會(huì)粘在該處，填補(bǔ)該缺陷。
經(jīng)過(guò)幾輪沉積后，研究人員發(fā)現(xiàn)沉積的鉿氧化物成功填補(bǔ)了該石墨烯膜的納米級(jí)固有缺陷，但是若利用沉積方法修補(bǔ)轉(zhuǎn)移過(guò)程造成的缺陷，通常這類缺陷是固有缺陷的數(shù)百倍，則太耗費(fèi)時(shí)間。
相反，第二種方法來(lái)修補(bǔ)這種缺陷。該方法被稱為“界面聚合法”，通常被用在薄膜合成過(guò)程中。在填補(bǔ)了固有缺陷之后，他們將該膜浸沒(méi)在兩種溶劑界面處：水浴和與水不互溶的有機(jī)溶劑浴。
研究人員將兩種能相互反應(yīng)生成尼龍的分子分別溶解到以上兩種溶劑中。一旦將該石墨烯膜放到溶液界面處，他發(fā)現(xiàn)只有在破損處才會(huì)形成尼龍。這是因?yàn)槭┎煌杆?，只有在破損處上述兩種分子才能相互接觸，然后反應(yīng)生成尼龍，有效封堵該處的缺陷。
采用他們?nèi)ツ暄邪l(fā)出的技術(shù)，該團(tuán)隊(duì)在石墨烯膜上刻蝕出均勻微孔，該孔能攔截大分子，僅允許水分子通過(guò)。他們實(shí)驗(yàn)了幾種含有不同分子的水，其中還包括鹽，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該膜能阻隔90%的大分子。然而，鹽通過(guò)該膜的速度要快于水分子。
該石墨烯膜的缺陷封堵技術(shù)和滲透率還有待提高，但初步測(cè)試表明石墨烯可作為潛在的過(guò)濾膜替代物。
如果進(jìn)展順利，該技術(shù)能經(jīng)受得住現(xiàn)實(shí)世界的不同測(cè)試要求的話，該種石墨烯膜將會(huì)在海水淡化和納濾領(lǐng)域產(chǎn)生極大影響。但是在精細(xì)化工或生物樣品處理領(lǐng)域，該膜同樣大有作為。這是首次報(bào)道有厘米級(jí)可針對(duì)各種分子的石墨烯濾膜，這令人十分振奮。
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