新看點(diǎn)丨石墨烯為海水淡化提供新路徑
石墨烯為海水淡化提供新路徑
■黃 靜 李 芮
航行在茫茫大海上，淡水供應(yīng)的重要性不言而喻。無論是民船還是軍艦，淡水的來源只有兩種，要么離開陸地時(shí)定量裝載攜行，要么航行途中淡化海水實(shí)時(shí)補(bǔ)給。
以美海軍為例，其艦員的淡水供應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)是每人每天50加侖，約為189升。同時(shí)，艦艇上的裝備本身淡水消耗量也很大，如蒸汽彈射器每推動(dòng)一架艦載機(jī)起飛，就會(huì)消耗1~2噸的淡水。如果艦艇每次遠(yuǎn)赴大洋都自帶充足的淡水，留給武器裝備的空間便所剩無幾。這也就意味著，掌握低碳、便捷、高效的海水淡化技術(shù)至關(guān)重要。
目前，海水淡化技術(shù)主要包括熱法和反滲透膜法兩種。相較于熱法，反滲透膜法海水淡化技術(shù)更加有效。作為實(shí)現(xiàn)反滲透技術(shù)核心元件的反滲透膜，是一種選擇透過性膜，它可以在外界壓力驅(qū)動(dòng)下，只允許水分子通過薄膜，而水中的各種諸如鈉離子、氯離子、鎂離子等無機(jī)鹽離子和細(xì)菌等微生物則無法通過。
不過，傳統(tǒng)的反滲透薄膜一般是聚合物膜。這類膜存在選擇性差、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行容易發(fā)生膜污染的問題，因此，選擇滲透性更高、化學(xué)穩(wěn)定性和抗污染性能更強(qiáng)的新型膜材料，一直是海水淡化技術(shù)研究的重點(diǎn)方向之一。
石墨烯就是近年來興起的這樣一種新型膜材料，為海水淡化提供了新路徑。
作為一種非常薄的二維碳納米材料，石墨烯的厚度幾乎可以忽略不計(jì)。同時(shí)，它的制備方法相對(duì)簡(jiǎn)單，具有較強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性、較好的離子選擇性、耐污性、可調(diào)的小孔隙尺寸和滲透率。于是，科學(xué)家用石墨烯制成能夠截留掉海水中的無機(jī)鹽、只讓水分子通過的“篩子”，即石墨烯薄膜。目前，石墨烯海水淡化膜主要分為兩類。
氧化石墨烯膜。該類薄膜由諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主、曼徹斯特大學(xué)教授Andre Geim團(tuán)隊(duì)研制。作為石墨烯衍生物的氧化石墨烯，它表面上的親水基團(tuán)有利于水分子進(jìn)入膜內(nèi)部快速流動(dòng)，得到的淡水產(chǎn)量高，且長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行也不容易出現(xiàn)膜污染的問題。
單原子層厚的納米多孔石墨烯薄膜。據(jù)悉，由武漢大學(xué)、湖南大學(xué)和美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分�？蒲腥藛T組成的團(tuán)隊(duì)，將碳納米管和石墨烯納米篩相結(jié)合，制備出兼具較強(qiáng)機(jī)械性能和較高滲透效率的石墨烯薄膜，開啟了石墨烯在海水淡化中應(yīng)用的新思路。
石墨烯以其優(yōu)異的機(jī)械性能、化學(xué)穩(wěn)定性以及可調(diào)的孔隙尺寸，為海水淡化技術(shù)帶來了新希望，有助于解決艦艇遠(yuǎn)洋航行資源補(bǔ)給的難題，應(yīng)用前景廣闊。據(jù)估算，到2030年，全球海水淡化膜市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到70億美元，其中石墨烯海水淡化膜市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)37億美元。與此同時(shí)，未來的海水淡化技術(shù)也將更突出低能源、低污染的特征。
責(zé)任編輯：杜圣智
