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石墨烯新应用:高效、廉价的海水淡化方法
发布:kittyll   时间:2015/11/20 15:01:41   阅读:3726 
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图片来源:网络

美国加州持续干旱,为此当地政府不断加速海水淡化工厂的建设。尽管工厂建造和运作成本高昂,并造成一定环境污染,海水淡化仍是获得净水的主要途径(循环利用水占全美净水的比例很小),这就将如何减少海水淡化的经济成本和能源成本等问题推上议题。
 
麻省理工大学材料科学与工程系教授Jeffrey Grossman正着手研究一种可能降低海水淡化的新方法,并取得了最新进展:由石墨烯制成的过滤器将有效提高能源利用率。
 
石墨烯首次发现于2003年,是从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜,然而它又具有不同于石墨的电学、光学和力学性能。
 
近50年来,海水淡化使用的是聚酰胺薄膜过滤器,相比之下,海水通过石墨烯单原子层过滤器时,受到的阻力将更小。
 
Grossman解释道:“石墨烯过滤器能够很好的把控水压,渗透性能更好。作为重要的海水淡化工序,通过水泵将海水注入过滤器将消耗整个工厂运作成本的一半。而用石墨烯过滤器,该过程成本将降低50%”。
 

图片来源:网络
 
由于聚酰胺薄膜过滤器需要经常清洁,清洁剂中包含的氯元素将破坏聚酰胺的结构完整性,进而导致一系列设备维护、更新问题。
 
石墨烯过滤器能抵御海水中微生物生长造成的破坏,也不会受氯元素的影响。
 
用石墨烯替代聚酰胺薄膜过滤器的方法十分简单,仅需将过滤器安装在坚固的聚砜支架上,聚砜具有较大的原子间隙,可过滤掉大颗粒杂质。
 
制备石墨烯的传统方法是利用胶黏剂将石墨一层层剥离。另一种方法是将超热气体(super-hot gases)涂抹在铜箔上,生长出单原子层。这样得到的石墨烯质量较好,也是半导体行业青睐的方法。然而此方法成本高、能耗高。
 
Grossman的团队则使用化学方法制造高质量海水淡化膜:将石墨浸入特定溶液,使用低温化学试剂打破块状石墨之间的键合,得到层状结构。该方法制备速度快,成本低。
 
进一步的挑战是,如何制造出合适尺寸的小孔,使水分子顺利通过而阻隔盐分。小孔最佳直径约为0.8纳米。如果直径为1.5纳米,盐和水都将通过。若将直径减小至一半,两种物质皆不能通过。Grossman使用化学能、热能制备纳米级的过滤膜小孔。主要采取以下三种方法:
 
1、在膜上形成足够大的孔,然后逐步填补,缩小直径。
 
2、直接形成0.8nm的小孔。
 
3、制备出无孔膜,再逐步扩大小孔直径。
 
化学制备方法将形成副产物:氧化石墨烯。尽管半导体产业中,人们想要尽可能去除氧化石墨烯中的氧,但是,氧对过滤网的制备反而是有用的。研究者们通过控制氧与石墨烯键合的方式,改善小孔的形成。
 

图片来源:网络
 
Grossman同时也在探索将石墨烯过滤器推向市场的其他优势:
 
1、石墨烯过滤器不仅可用于淡化海水,还可用于过滤微咸水(brackish water)。
 
2、缩小污水处理厂的建造规模,节约成本。施加同等压强的前提下,使用石墨烯过滤器可获得更多净水。
 
Grossman指出, 在人口密集的沿海城市建造污水处理厂需要花上数年甚至十几年,而减小其建造规模将有益于降低土地成本和人力成本。
 
译自:phys.org
来源:材料与测试
译者:Kate0609
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