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石墨烯:海水淡化的未來
責編:李曉燕 發布時間:2021-04-13 13:40:25 瀏覽次數:

   石墨烯是“碳材料家族”中的一員,是由一個個碳原子在平面內按照六邊形蜂窩狀結構排列形成的一種層狀材料。由于其厚度只有一個碳原子的大小,約為0.34納米,相當于一根頭發絲的二十萬分之一,是人類迄今為止發現的最薄的材料,石墨烯也被稱作是一種二維材料。

 

   氧化石墨烯是石墨烯的“孿生弟弟”。自2004年英國物理學家在實驗室內用看似不可思議的“撕膠帶”的方法,從大塊石墨中剝離出科學家曾理論預言不可能穩定存在的單層石墨烯以來,石墨烯這一科學名詞已變得家喻戶曉。短短十幾年,圍繞石墨烯的各項研究發展迅猛,并展現出極其廣闊的應用前景。
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   正是由于這種特殊的二維原子結構,石墨烯展現出了許多普通三維材料并不具備的奇異性質。單層石墨烯的透光率高達97.7%,肉眼看過去幾乎是完全透明的。它有著絕佳的導熱性,熱傳導能力是金剛石的兩倍以上。石墨烯的機械強度極大,比鋼鐵還要強200倍,如果把1平方米的單層石墨烯做成一張吊床,區區0.34納米的厚度便可以穩穩地承載一只貓。石墨烯還具有十分優良的電學性質,導電性比銀和銅還強,載流子遷移率比碳納米管和硅還高。
 
   在眾多潛在應用中,石墨烯凈水技術不僅在原理上具備較高的可行性,在實驗室也取得了許多重大突破。眾所周知,活性炭作為一種常見的傳統污水處理材料,內部有很多疏松的孔隙,具有很強的吸附能力。而石墨烯特殊的層狀和孔狀結構,使其吸附能力是活性炭的成百上千倍。在此基礎上,科學家通過微觀調控、修飾與改性,制造出了許多種不同的具有超高效吸附特性的石墨烯基吸附材料,它們不僅能吸附超過自身質量數百倍的污染物,還可以循環使用,大大降低使用成本??梢哉f,石墨烯在污水處理和海水淡化方面提供了令人驚喜的全新解決方案。

圖片2石墨烯.jpg 

   正是由于這種特殊的二維原子結構,石墨烯展現出了許多普通三維材料并不具備的奇異性質。單層石墨烯的透光率高達97.7%,肉眼看過去幾乎是完全透明的。它有著絕佳的導熱性,熱傳導能力是金剛石的兩倍以上。石墨烯的機械強度極大,比鋼鐵還要強200倍,如果把1平方米的單層石墨烯做成一張吊床,區區0.34納米的厚度便可以穩穩地承載一只貓。石墨烯還具有十分優良的電學性質,導電性比銀和銅還強,載流子遷移率比碳納米管和硅還高。
 
   氣候變化給全球許多地區造成干旱,研究人員正在尋求淡化海水的廉價而有效的新技術。在目前的海水淡化技術中,最流行的是反滲透法(RO),鹽水被迫通過聚合物膜而過濾掉鹽離子。但是由于需要高壓的條件(500和1,000 psi之間 - 作為參考,汽車輪胎中的空氣大約為40 psi),以及浪費問題(100加侖海水只能得到5到40加侖淡水),RO法效率低且成本高。
 
   利用超薄石墨烯膜代替聚合物膜可有效改善上述問題。石墨烯是只有一個原子厚度的二維碳薄片。碳原子以六邊形的形式排列。石墨烯本身具有優異的柔韌性、輕便性和堅固性。石墨烯作為一種高效反滲透膜的前景正在迅速實現,幾家公司和大學(尤其是麻省理工學院和英國曼徹斯特大學)已經在制作脫鹽過濾器的設計。
 
   由于石墨烯比傳統聚合物膜薄約1000倍,所以它的滲透性要高得多。如果一個市的RO工廠用石墨烯取代目前的聚合物膜,在仍然使用高壓泵的情況下,淡水產量將會大大增加。另外,石墨烯提供了一種可以替代目前昂貴泵的方法,因為石墨烯在較低的壓力下即可實現海水淡化。

圖片3石墨烯.jpg 

   研究人員目前正在研究的問題是如何有效地在石墨烯薄片上創建精確尺寸的孔隙——找到既不太大(否則鹽離子可以通過)又不太?。ūWC水分子可以自由通過)的最佳尺寸。相關研究發現利用氧化石墨烯可更好的實現這種目的。氧化石墨烯仍然是一個單原子厚度的薄片,但比純石墨烯更可行,并且具有優異的防污性能。
 
   海水淡化正迅速成為一項公共衛生重點。最近我們在制造和操作大面積石墨烯方面取得的進展意味著,隨著這些單原子厚的碳膜發揮作用,我們將在未來幾年內看到一場革命。
                                                                                                                                         (來源:www.163.com)
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