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麻省研究员借助石墨烯开发出海水淡化新方法

2012年7月24日 发表评论 阅读评论

  美国麻省理工学院网站7月3日发布文章称,该校研究人员借助石墨烯开发出了一种海水淡化的新方法。该方法简单有效,在成本上也远低于现有的其他技术,让人们在海水淡化上又多了一种选择。相关论文最新一期的《纳米快报》杂志上。

  在世界上许多地方,淡水的供应正在日趋减少,随着人口的增长,这一问题还将持续严峻。因此,有不少人都将目光转向了几乎是无限供应的海水,各种海水淡化技术也应运而生,但到目前为止,它们还都过于昂贵,无法大范围、低成本推广。

  领导该项目的麻省理工学院材料科学与工程学院副教授杰弗里・格罗斯曼说,许多人都在关注海水淡化技术,并做出不少成绩,但从材料科学角度研究脱盐的却并不是很多。

  新研究中格罗斯曼和研究生大卫・科恩・达努奇通过精确控制多孔石墨烯的孔径并向其中添加其他材料的方法,改变石墨烯小孔边缘的性质,使其能够排斥或吸引水分子。这样这种特制的石墨烯就如同筛子一样能快速地滤掉海水中的盐,而只留下水分子。新工艺的关键是非常精确地控制石墨烯孔洞的大小。研究人员称,最理想的大小是1纳米,不能太大也不能太小,如果太大了盐便会和水分子一起通过筛子,起不到过滤的作用;如果太小水分子就无法通过这些小孔。计算机模拟结果显示,这种石墨烯筛子的性能非常优秀,能够快速地完成海水淡化过程。

  科恩・达努奇说,此前也有不少研究小组开发过类似的石墨烯筛子,但在尺寸和用途上区别很大。例如,用多孔石墨烯来过滤DNA(脱氧核糖核酸)或分离不同类型的气体等。但在这些研究中对石墨烯孔洞的精度要求较低,技术较为简单,无法适用于海水淡化。

  目前海水脱盐最常用的是反渗透技术。其工作原理是用一种特制的膜来过滤海水中的盐。但由于这些薄膜上的小孔极为致密(比新技术中所采用的多孔石墨烯密1000倍),需要非常大的压力迫使海水通过薄膜,因此,在淡化海水的同时还需要消耗不少的能源。相比之下,在相同的压力下,新技术在过滤速度上可比反渗透薄膜技术快数百倍,或者它能在同样过滤速度下,节约更多的能源。

  研究人员称,目前他们正通过计算机对整个过程进行最后的模拟和调试,以确定其最佳参数。今年夏天首批采用该技术的石墨烯滤网原型就将问世。

  格罗斯曼说,由于石墨烯的原材料廉价且易于获取,这使该技术在成本上具备了天然优势。另外,它又是已知最硬的材料,与目前所使用的反渗透膜相比更结实耐用。

  哈佛大学化学系副教授约书亚・施耐尔说,先前就有人开发出了类似的多孔石墨烯结构,但却没有人将其与海水淡化结合起来。新技术为海水淡化提供了一个可供选择的新方法。

  【名词解释】

  石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构,无法单独稳定存在,直至2004年,英国曼彻斯特大学物理学家安德烈・海姆和康斯坦丁・诺沃肖洛夫,成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯,而证实它可以单独存在,两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由,共同获得2010年诺贝尔物理学奖。

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