導讀石墨烯可以更快地脫去海水中的鹽分，但在生產更便宜的飲用水的同時，目前還存在著一些未實現(xiàn)的愿望。在很長時間的理論計算中，石墨烯的脫鹽能力要好于水過濾材料，只是實踐中的測試還很少。

地球上有七億四千八百萬人無法飲用到干凈的飲用水，而與此同時全球飲用水需求日益增加，所以從海水中獲得干凈的飲用水具有非常大的意義。

石墨烯表面排斥水，但浸入水中的石墨烯薄膜毛細通道卻允許水快速滲透。對此，美國麻省理工學院、英國曼徹斯特大學、中國科學技術大學等眾多高等院校、科研機構都作了不少研究與嘗試，以探索石墨烯納米通道快速過濾離子的機理，尋找將這種備受矚目的新材料應用于海水凈化的方法。

以飛機制造聞名的美國康采恩Lockreed Martin申請了一項專利，旨在將石墨烯用作海水過濾材料。不僅是美國人，歐盟也在石墨烯上投入了大量資金：在石墨烯旗艦聯(lián)盟里，有一個專門研究石墨烯箔片膜性質的小組。聯(lián)盟的一些公司對石墨烯潛在應用也表示了很大興趣，比如BASF和納米膜生產商CNM技術公司，允許大學和研究所在公司的工業(yè)環(huán)境下測試石墨烯納米膜的過濾性能。

一個原子的厚度

但有關石墨烯脫鹽的最新研究成果并不是Lockreed Martin和歐盟石墨烯旗艦計劃獲得的，而是來自于美國田納西州的Oak Ridge國家實驗室。實驗室通過制造并修改石墨烯，實現(xiàn)了水和鹽的完全分離。雖然實際操作時分離的時間長于理論計算得出的時間，但與目前材料的過濾速度相比，數值已經超過了一個數量級。這種超薄膜實現(xiàn)了所謂的“彈道運輸”，因為水分子在穿過膜孔時只須經過很短的一段路程，不會碰撞到膜壁上，這就意味著水分子在傳輸過程中不會遇到阻力，也不會發(fā)生散射，這使得傳輸過程非常快。

但是這對于石墨烯的結構要求非常高。研究者首先將石墨烯分離到銅箔上，然后再將它們分開，通過這種方法可以石墨烯薄膜上獲得毛細通道。這些毛細通道的直徑必須具備一個最佳尺寸，過大會使鹽離子通過，過小就會阻礙水分子運輸。石墨烯本身是不允許氣體分子透過的，所以沒有毛細孔完全不行。為此，研究者將石墨烯箔片暴露在氧等離子體中，帶電的氧離子與碳原子發(fā)生反應，石墨烯箔片上便會產生毛細孔。

理想條件在實踐中難以實現(xiàn)

研究人員讓鹽水流經帶有毛細通道的石墨烯箔片，有時鹽水順利通過，有時在兩個裝有不同濃度鹽水的容器之間石墨烯會形成通道。在所有的實驗室條件下石墨烯箔片幾乎表現(xiàn)出很好的過濾性能，只是流動速率在較大差異的數量級水平上變化。研究小組的科學家Ivan Vlassiouk說：“這對我們來說是個謎團。目前推測，石墨烯中的一些孔洞會被鹽離子阻塞，因為在那里我們使用了更高濃度的鹽水。它的含鹽量不能與海水等同。更確切地說，實驗室的鹽水濃度與淡海水的濃度相同，含鹽量不到百分之一，而海水的含鹽濃度為百分之三點五。”

Vlassiouk下一步將在實驗中使用真正的海水取代實驗室混合鹽水，進而探討石墨烯到底在工業(yè)過濾海水的應用中能走多遠。未處理過的海水中除了鹽分，也含有大量的有機化合物及微生物。尤其是微生物會在水處理過程中帶來麻煩，它們會聚集在過濾膜表面進而堵塞過濾膜。人們希望在這種超薄的石墨烯薄膜上不會出現(xiàn)這種所謂的“生物堵塞”，因為微生物很難附著在光滑的表面上，但這還需要進一步的證實。另外，這種“被穿孔”的石墨烯箔片生產過程也完全不適用于工業(yè)中：畢竟在測試階段，Oak Ridge國家實驗室的研究人員只使用了一個直徑為5毫米的石墨烯小片段。

廣告vs科學

海水淡化有很多種方法，其中在逆滲透海水淡化法中石墨烯具有替代目前膜材料的潛能。Lockreed Martin公司的一位工程師認為，在脫鹽裝置中使用石墨烯，可以提高百倍效率，從而減少能量消耗。而來自耶魯大學的科學家Menachem Elimelech反對這一觀點。他精確地計算了脫鹽裝置中的能量損耗，使用裝有能量回收系統(tǒng)的現(xiàn)代脫鹽設備處理一升水，可以將能量消耗從5瓦時降低到2瓦時。其中一半的能量是熱動力學必須的，用于在逆滲透過程中建立足夠的壓力，而這一點是石墨烯不能改變的。

Menachem Elimelech教授認為，在保持相同流速的同時，人們可以通過制造出更小面積的薄膜來降低費用，但是所有的運行程序要適應小面積的過濾膜。這樣做是否值得，科學家們對此提出了問題，因為它們發(fā)現(xiàn)了滲透膜另一個重要的優(yōu)化需求：對抗微生物的阻力。微生物會降低滲透膜的能效，因此滲透膜需要經常更換。為此，我們可以加入氧氣，使其與石墨烯結合，生成氧化石墨烯，覆蓋在滲透膜上的氧化石墨烯就可以作為保護層�，F(xiàn)在還不明確每個石墨烯層的性能，而且更高的通過率可能將引起更大的堵塞率。

除了通過石墨烯優(yōu)化反滲透作用，科學家們還發(fā)現(xiàn)了脫鹽裝置更大的節(jié)能潛力。Lockreed Martin公司在節(jié)能方便預估了石墨烯的前景：百分之十至百分之二十的節(jié)能空間。這個數值相當于許多德國家庭一整年的耗電量。

歐盟石墨烯旗艦聯(lián)盟的人員表示，目前石墨烯的研究還處在基礎階段，但是對它的未來發(fā)展充滿信心。這種超薄的石墨烯薄膜，可以使水分子的流動時間忽略不計，之前還沒有出現(xiàn)過類似的一種材料。不過在豐滿的理論與實際的基礎研究之間，“神奇材料”還需要時間。

原標題:新應用丨石墨烯技術助力海水淡化


 

新應用丨石墨烯技術助力海水淡化