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纳米多孔石墨烯胜过最好的商业海水淡化技术
来源:中国石墨烯网 编辑:中国石墨烯网 时间:2013-08-29 点击:
(左上)氢化和(右上)羟化石墨烯的毛孔。(底部)的侧面视图,模拟纳米多孔石墨烯过滤盐离子,生产饮用水。图片来源:Cohen-Tanugi和格罗斯曼。©2012年美国化学学会

    尽管海洋和海洋含有大约97%的地球的水,但是,目前世界上却只有百分之一的饮用水供应来自淡化后的海水。为了提升我们对海水的使用,海水淡化技术必须变得更节能和更经济,且符合可持续的发展需要。在一项新的研究中,来自麻省理工学院的两个材料科学家已经显示在模拟的纳米多孔石墨烯上,证明其在过滤海水中的盐的速度比今天的最佳商业海水淡化技术速度快到2 - 3个数量级。研究人员预测,石墨烯优越的水渗透性可能极大提高海水淡化技术,能否找到比使用反渗透更少成本、更少能源和更小模块的技术将取决于未来石墨烯制备方法的改进。

    麻省理工学院科学家,大卫Cohen-Tanugi和杰弗里•c•格罗斯曼在最近一期的《纳米快报》上发表了在利用单层纳米多孔石墨烯海水淡化上的研究工作。

    “这项工作表明通过发明更有效的和有针对性的膜材料可以避免目前海水淡化技术的一些缺点“格罗斯曼说。“特别是,量身定制的纳米结构技术膜可以通过渗透过滤对其中流动的水进行全盐抑制,从而出现比反渗透更高的渗透率”。

    这也不是研究者们第一次调查纳米多孔材料在海水淡化工程上的应用。反渗透使用高压慢慢推动水分子(但不是盐离子)通过一个多孔膜,而在纳米多孔材料的使用上面,其过程只需极小的压力和良好的渠道,两者相比之下,纳米多孔材料的使用可以使过滤海水速度远超反渗透膜。

    当水分子(红色和白色)和钠离子和氯离子(绿色和紫色)在盐水,在右边,遇到的石墨烯(淡蓝色,中心)穿孔洞的大小适中的,水通过(左边),但钠和氯盐被屏蔽的。图形:大卫Cohen-Tanugi

    然而,这是科学家们首次探讨了纳米多孔石墨烯作为过滤海水淡化领域的潜在作用。单层石墨烯,它仅有一个碳原子厚度,是最终的薄膜,其高效的海水淡化功能正是利用了其高效的通水量和超薄的透水膜厚度成反比的原理。

    使用经典分子动力学模拟,Cohen-Tanugi和格罗斯曼检查了纳米多孔石墨烯具有不同孔隙直径(1.5至62 A2)和孔隙化学的透水性。作为先前的实验证明,引入石墨烯纳米孔可以通过各种方法,包括氦离子光束钻井和化学腐蚀。在模拟中,科学家们通过增强钝化或屏蔽纳米孔,使每个碳原子、氢原子或羟基处在孔隙边。

   

水渗透海水淡化技术的不同。石墨烯纳米孔可以拒绝盐离子,水渗透率2 - 3数量级高于商业反渗透(RO)技术。图片来源:Cohen-Tanugi和格罗斯曼。©2012年美国化学学会

    “因为这些碳原子在孔隙边缘无钝化而相当被动,在一种方式或另一个现实的实验条件下,他们可能会存在某种形式的化学功能性,“格罗斯曼说。“这在某种程度上是可控的,所以我们想探究疏水性和亲水性这两个化学边缘的限制空间。如果我们没有官能团(只是裸碳),然而在很短的时间内,水分子会游离在孔隙边缘或者与那些碳进行氢化合或羟化。”

    科学家比较了两个化学反应,以及不同的孔隙大小对海水过滤产生的不同结果。他们发现,尽管最大的纳米孔具有最高的滤水率,但大的纳米孔会允许一些盐离子通过。在模拟识别过程中,他们获得一个中间范围的纳米孔的直径,这个直径的尺寸在确保水分子的通过的同时,起到限制盐离子通过的目的。

    仿真结果也表明,科学家的实验大大提高了羟化石墨烯水渗透率以及亲水性羟基的属性性质。亲水性基团允许水分子有更多的氢键构型,这种缺乏限制增加了水通量。

    总的来说,结果表明,理论上纳米多孔石墨烯具有比反渗透膜更好的透水性。高通量反渗透有透水性零点几个百分点,仿真结果表明,纳米多孔石墨烯水渗透率范围从39到66,表现出全盐抑制(23.1 A2氢化毛孔和16.3 A2 羟化毛孔)。石墨烯最大的羟化毛孔达到129,但允许一些通道的盐离子。

    科学家们解释说,目前使用纳米多孔石墨烯进行脱盐,面临着两个方面的挑战。一个是虽然实验证明此方法可行,但我们也面临着实现孔径分布窄这样的事实;另一个挑战是机械稳定性在外加压力方面,反渗透材料的开发应用。
“我们正在寻找一个对海水淡化膜和去污的工程应用的潜在的新方法。”格罗斯曼说。“就实验而言,我们目前正在制作的纳米多孔膜其脱盐性能将在未来几个月内得以应用。”


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