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【中國(guó)環(huán)保在線 污水處理】作為本世紀(jì)的“神奇材料”，石墨烯與水之間的相互作用機(jī)理卻并不為人們所了解。所幸，據(jù)日前出版的《科學(xué)》雜志報(bào)道，中英兩國(guó)組成的科研團(tuán)隊(duì)成功在石墨烯功能材料研究方面取得突破性進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了氧化石墨烯薄膜具有精密快速篩選離子的性能。
向大海要水喝有新招 石墨烯摁下海水淡化快捷鍵
“有一種物質(zhì)，如同愛(ài)麗絲仙境一般神奇，那就是石墨烯。”在《中國(guó)制造2025》中選擇的10大重點(diǎn)突破技術(shù)和戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)中，石墨烯材料是前沿新材料領(lǐng)域的四大重點(diǎn)之一。作為目前發(fā)現(xiàn)的厚度薄、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性能好的新型納米材料，石墨烯被稱為可改變21世紀(jì)的“神奇材料”。
何謂石墨烯？提起石墨我們一定不陌生，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(lái)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薄的材料，也是強(qiáng)度高的材料，石墨烯的斷裂強(qiáng)度比好的鋼材還要高出200倍。石墨烯的彈性驚人，可被無(wú)限拉伸和彎曲，抗壓能力、導(dǎo)熱和導(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)用也堪稱神奇。在眾多業(yè)界人士看來(lái)，石墨烯以獨(dú)特的力學(xué)和電學(xué)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(xì)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(guān)系令科學(xué)家著迷。
據(jù)新華社此前報(bào)道，氧化石墨烯薄膜在氣體分離和水處理方面已經(jīng)展示了很大的應(yīng)用潛力，但現(xiàn)有的這類薄膜還無(wú)法適應(yīng)海水淡化工藝要求。曼徹斯特大學(xué)此前的研究就發(fā)現(xiàn)，如果將這類薄膜浸泡在水中，它會(huì)輕微膨脹，微小的鹽離子會(huì)隨著水流滲透薄膜，無(wú)法完成對(duì)鹽的過(guò)濾。
為解決上述問(wèn)題，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)合作，成功組建了一個(gè)能夠從海水中去除鹽類物質(zhì)的石墨烯氧化物篩網(wǎng)，利用環(huán)氧樹(shù)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。這一方法能夠更地控制薄膜上微空隙的大小，不讓它因薄膜膨脹而變得過(guò)大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)小鹽離子的過(guò)濾。這一發(fā)現(xiàn)合理解釋了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也被稱為“離子海綿效應(yīng)”。
用計(jì)算機(jī)模擬石墨烯納米通道快速過(guò)濾離子的過(guò)程發(fā)現(xiàn)，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(jìn)了離子的快速擴(kuò)散。如果將這類薄膜浸泡在水中，它會(huì)輕微膨脹，微小的鹽離子會(huì)隨著水流滲透薄膜，無(wú)法完成對(duì)鹽的過(guò)濾。這意味著，制造一個(gè)幾分鐘內(nèi)將一杯海水淡化成飲用水的過(guò)濾裝置有望成為現(xiàn)實(shí)，已不再是科幻小說(shuō)場(chǎng)景。
誠(chéng)然，利用石墨烯這一特性，未來(lái)人類讓大海變成巨大淡水庫(kù)或許不再是天方夜譚。聯(lián)合國(guó)曾經(jīng)預(yù)測(cè)過(guò)，到了2025年，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(xù)減少城市水資源供應(yīng)開(kāi)始緊張，發(fā)達(dá)國(guó)家也不得不大力發(fā)展海水淡化技術(shù)。而這項(xiàng)技術(shù)的成熟或許會(huì)解決的淡水資源供應(yīng)緊張的問(wèn)題。
“除了推行節(jié)水措施、提高利用效率、開(kāi)展跨流域調(diào)水等方式，我們必須實(shí)施海水有效利用與代替，向大海要水‘喝’。”在國(guó)家海洋局天津海水淡化與綜合利用研究所所長(zhǎng)李琳梅看來(lái)，目前，上海水淡化技術(shù)日趨成熟，已形成產(chǎn)業(yè)，增長(zhǎng)速度和應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，已有160多個(gè)國(guó)家應(yīng)用淡化技術(shù)。顯然，石墨烯的“華麗轉(zhuǎn)身”無(wú)疑將助推海水淡化產(chǎn)業(yè)迎來(lái)實(shí)質(zhì)性利好。
