(左上)氢化和(右上)羟基化石墨烯孔隙。(下)模仿纳米孔石墨烯过滤盐离子和出产饮用水的侧面图。

虽然海洋包含了地球上97%的水,但现在国际饮用水供给中只要一小部分来自于脱盐盐水。为了添加咱们对盐水的运用,有必要使海水淡化技能变得愈加节能,并下降可持续发展的本钱。

在一项新的研讨中,来自麻省理工学院的两名资料科学家在模仿中显现,纳米孔石墨烯能够以比现在最好的商业化海水淡化技能——反浸透(RO)快2-3个数量级的速度过滤水中的盐。

研讨人员猜测,石墨烯优胜的透水性或许会导致脱盐技能比反浸透技能需求更少的动力,运用更小的模块,本钱将取决于石墨烯制作办法的未来改善。

麻省理工学院的科学家在最近一期的《纳米快报》(Nano Letters)上宣布了他们关于运用单层纳米孔石墨烯进行海水淡化的研讨。这项研讨标明,经过创造更高效、更有针对性的薄膜资料,现在海水淡化技能的一些缺点是能够防止的。特别是,定制的纳米结构的膜能够答应实践活动的水(彻底盐排挤)经过巨细扫除,导致比反浸透高得多的浸透性。”

这不是研讨人员第一次研讨运用纳米孔资料进行海水淡化。反浸透膜运用高压缓慢推进水分子(而不是盐离子)经过多孔膜,与之相反,纳米孔资料在较低的压力下作业,并供给明晰的通道,能够比反浸透膜更快地过滤盐水。

当水分子(赤色和白色)、钠离子和氯离子(绿色和紫色)在盐水中(右图)遇到由右边巨细的孔穿孔的石墨烯薄

可是,这是研讨人员初次探究纳米孔石墨烯作为海水淡化过滤器的潜在效果。

单层石墨烯,只要一个碳原子那么厚,是终究的薄膜,它有利于海水淡化,因为水经过薄膜的通量与薄膜的厚度成反比。

运用经典的分子动力学模仿,研讨了不同孔径(1.5 - 62 A2)的纳米孔石墨烯的透水性和孔隙化学性质。纳米孔能够经过氦离子束钻孔和化学蚀刻等多种办法引进石墨烯中。研讨人员经过钝化或屏蔽孔边的每个碳原子来增强纳米孔。

各种海水淡化技能的透水性。石墨烯纳米孔能够排挤水浸透性比商业反浸透(RO)技能高2-3个数量级的盐离

因为这些坐落孔隙边际的碳原子在没有钝化的情况下会发作相当大的反响,因此在实际的试验条件下,它们很或许会发作某种方式的化学功用化。这在必定程度上是能够操控的,所以咱们想要探究疏水和亲水边际化学的两个极限。假如没有官能团(只要裸碳),那么在很短的时间内,水分子会在孔隙边际游离,很或许会使这些碳氢化或羟基化。研讨人员在模仿中比较了纳米多孔石墨烯的两种化学性质,以及不同孔径的石墨烯。他们在膜上运行了盐度为72 g/L的盐水,盐度约为均匀海水盐度(约35 g/L)的两倍。

虽然最大的纳米孔能够以最高的速度过滤水,但大的纳米孔答应一些盐离子经过。模仿确认了中等规模的纳米孔直径,其间纳米孔满足大,能够让水分子经过,但又满足小,能够约束盐离子。模仿还显现,羟基化石墨烯明显提高了水的浸透性,科学家将其归因于羟基的亲水性。相反,因为氢化孔是疏水的,水分子只能在必定数量的高度有序结构下活动。可是亲水基团使得水分子在孔隙中有更多的氢键构型,这种约束的缺失添加了水的通量。

整体而言,研讨成果标明,从理论上讲,纳米孔石墨烯的透水性优于反浸透膜。反浸透膜的浸透性以每天每平方厘米薄膜的输出升和每单位施加压力为单位。虽然高通量RO的浸透率只要十分之一几,但模仿成果显现,关于彻底盐排挤的孔隙结构(23.1 A2氢化孔隙和16.3 A2氢化孔隙),纳米孔石墨烯的浸透率在39到66之间。羟基化孔隙最大的石墨烯到达129个,但答应部分盐离子经过。

研讨人员解说说,在海水淡化中运用纳米孔石墨烯面对两个首要应战。一种是完成较窄的孔径散布,虽然组成高有序多孔石墨烯的试验发展敏捷,标明这或许很快就可行。另一个应战是在施加压力下的机械稳定性,这能够经过运用像反浸透资料那样的薄膜支撑层来完成。

在计算上,咱们正在寻觅一系列其他潜在的新办法来规划用于脱盐和去污的膜。在试验上,现在正在制作纳米孔膜,有望在未来几个月测验它们的脱盐功能。