?
图片为用艺术的形式展示如何堆叠GO层来过滤水中的盐,使其能够安全饮用。
曼彻斯特大学的研究人员认为,石墨烯氧化物(GO)膜可以提供一种简单的方法,从饮用水中过滤出不需要的盐和杂质。[来自Abraham等人,自然纳米技术(2017)doi:10.1038 / nnano.2017.21]。
目前,随着耗水量越来越大,以及海水污染和环境污染的日益严重,世界上有数亿人无法获得安全饮用水。由于传统的海水淡化过程具有能源密集型和环境破坏性,因此我们迫切需要从海水或污染水中提取洁净水。
亚纳米孔渗透膜具有不仅可以过滤离子和杂质,而且还可以让水(或其他液体)通过的功能,因此引起了人们的注意。最近,诸如纳米管和石墨烯之类的碳材料被认为是制作膜的极具希望的候选者,但是由于在水过滤和海水淡化所需的工业规模上,生产这些材料所遇到的困难阻碍了它的发展。
这项研究的一位主要作者Vasu Siddeswara Kalangi,他解释说:“与其他技术相比,石墨烯的神奇特性,如快速的水运输、高的化学稳定性和大量制备的成本效益使得石墨烯膜更有优势。”
由Rahul R. Nair领导的团队专注于GO,GO就像是一个筛子一样,使大分子和离子不能沿其堆叠的薄片之间通过,但离子的过滤不仅仅是几何的问题。当普通盐在水中溶解时,离子获得水分子的“壳”。这些水分子必须在离子可以移动通过层间空间之前被剥离,“消耗”能量或产生障碍。与此同时,简单的水分子无论如何都要通过。
到目前为止,石墨烯膜存在的缺点是当GO层浸没在水中时,两层或三层水分子将自身插入层间空间中,这样就会扩大了间隙,允许离子和分子通过并降低了材料的选择性。
奈尔和他的团队围绕这个缺点找到了一种简单的方法,即将GO层叠在环氧树脂之间,以便限制它在浸入水中时膨胀。因此,研究人员巧妙地先将GO层暴露于受控的湿度环境中,以调整层的间距。通过运用这种方法,该团队创建了层间距为6.6-9.8?(水溶浸泡GO层间距为13.7?)的膜。物理密封的氧化石墨烯(PCGO)膜可以成功地过滤掉像Na 和K 之类的常见离子,同时允许水通过。
此外,研究人员还发现,将石墨烯薄片加入堆叠层压板也可以控制GO膜的溶胀。石墨烯的疏水性不仅限制了对水的吸收,还限制了膨胀。根据该团队的说法,GO-Gr膜的抗盐水平达97%。在PCGO膜中,抑制离子渗透与快速输送水的结合使得它们成为水过滤和海水淡化的一个很有吸引力的命题,研究人员认为,该技术可以扩大到工业水平。
另一名主要作者Jijo Abraham说,“我们的研究表明,通过使用石墨烯膜,水过滤的效率可以提高,这将可能使饮用水更便宜”。
澳大利亚莫纳什大学的Mainak Majumder对石墨烯膜的新发展十分赞同,同时提高盐的抑制水平也令人十分兴奋。
"这项工作的新颖之处在于它可以在亚埃孔识别一种新的抑制盐的机制。”他解释说,“这些气孔中基于脱水的离子传输机制,在生物系统中可以观察到,而在以前的人工膜中还没有被明确的识别出来。”
然而,Majumder提醒道,在理论方法变成实际应用之前,有许多技术需要挑战,包括膜的制造,也有许多技术要克服。研究人员的盐排斥假说也将需要严格的测试,才能被科学界完全接受。
他说,“这项工作无疑是先驱者们的新见解,它将激发人们积极寻找克服石墨烯层间距问题的方法。”