(中國粉體技術網/班建偉)在2015年的全球風險報告中,世界經濟論壇將水危機排至影響風險的首位,影響風險超過了大規模殺傷性武器,州際沖突和傳染性疾病傳播。
人們對淡水資源的依賴性有據可查,在2015年聯合國世界水資源發展報告中,未來十五年的全球水需求與水供應之間存在40%的短缺。農業對水的需求量最大,世界上90%的最不發達國家和地區,可用水和人類健康、食品生產都存在著明顯的關聯。
低成本的水需求
許多存在嚴重水資源短缺的地區都依靠海水淡化來進行淡水的供應。海水淡化的技術包括反滲透,但是海水淡化處理的水十分昂貴。圖片來源:Shutterstock/AsafEliason
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,但這會消耗能量約750 mw /天。大多數反滲透站的能源消耗超過水生產成本的50%。
為了解決水壓力的問題,所有的水處理技術都要求精確控制孔隙大小、高度耐污染性和節約能源,即使將現在的生產效率提高10%也不具有重大的意義。
完美的缺陷
十年前,當人們意識到水中離子和分子的分離都是納米尺度時,就開始利用納米技術解決水問題。關于實現水的過濾進行了許多嘗試,但普遍的水過濾產品尺寸較小,這讓我一度懷疑將納米技術用于水凈化領域的前景。
幸運的是,近來石墨烯在各種領域包括水凈化領域進行不斷的發展。諾貝爾獎得主Andrei Geim和Rahul Nair指出,雖然在電子領域,缺陷是需要避免的,但是在水凈化領域,石墨烯的缺陷可以實現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用于水凈化領域。
在石墨烯上打孔
田納西州橡樹嶺國家實驗室(ORNL)的研究人員利用新技術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。該技術通過化學沉積法(CVD),在氧等離子體上生長石墨烯,并將一些碳原子從晶格中拔出,來創建孔洞。與氧等離子體接觸的時間越長,石墨烯的孔越大。
如圖所示,紅色為石墨烯(蜂窩結構放大圓圈),黃色為硅原子,橙色的補丁為殘余聚合物。圖片來源:美國橡樹嶺國家實驗室能源部。
麻省理工大學(MIT)的研究人員采用另一種方法,將鎵離子束轟擊石墨烯表面來制備孔洞,然后通過腐蝕精確控制孔隙的大小。類似地,賓夕法尼亞州立大學的研究人員也利用該方法,通過缺陷進行水的運輸。
但問題是,這些技術都處于早期階段,目前來說,生產具有大面積缺陷的石墨烯還不太可能。
過濾中存在的小孔
膜的使用可能是解決水凈化問題最簡單的方法,但防止膜中污垢的存在比較困難?,F實中,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。
英國工程和物理科學研究委員會(EPSRC)最近推出了價值£4600000的下一代持久性“永久”膜工程。包括青石全球科技,莊信萬豐,贏創,葛蘭素史克,英國石油(BP),盎格魯用水,賽文特倫特用水,泰晤士水務公司和蘇格蘭水務在內的若干家公司,與曼徹斯特大學聯合研發石墨烯材料。
向自然學習
石墨烯薄膜也可以應用于水凈化領域。南卡羅萊納大學的Miao Yu 和Hang Li模仿魚鱗的功能和結構,制備出完全可恢復的高流量抗污油/水分離膜。
模擬覆蓋魚鱗表面稀薄黏液層的超薄涂層,并結合石墨烯的波片結構和膜的內在粗糙度,成功地再現了魚鱗的粗糙分層結構。
膜性能評估測試表明,通過水沖洗膜表面,膜的恢復程度達到100%,與傳統膜相比,其純水通量率(膜傳輸的水量)提高了兩個數量級。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管作用通過,阻隔了污染物。
根據石墨烯水處理膜技術,公司將其商業化應用,預計將直接為海水淡化技術帶來高達90%的節能率。另外,這項技術的膜生產過程較為簡單,即將石墨烯片直接沉積在現有的過濾材料上。
避免重塑
從商業角度來看,將石墨烯涂層應用于現有的過濾介質很有意義。但是科學家們常常按照第一原理,試圖重塑材料,這可能會導致產品的研制時間出現延誤。
現在的最成功的科技產品(如iPod或Uber)的開發沒有進行基礎數據的重塑。直接利用現有的技術基礎設施,可以更快的占領產品市場。
雖然開發出健全、低成本、高效的石墨烯過濾系統還有許多路要走,但是基于石墨烯可以進行水的傳輸,我們別無選擇。也許未來我們可以轉變思路,找到其他解決日益嚴重水危機的辦法。
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