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石墨烯:海水淡化的未来
责编:李晓燕 发布时间:2021-04-13 13:40:25 浏览次数:次

   石墨烯是“碳材料家族”中的一员,是由一个个碳原子在平面内按照六边形蜂窝状结构排列形成的一种层状材料。由于其厚度只有一个碳原子的大。嘉0.34纳米,相当于一根头发丝的二十万分之一,是人类迄今为止发现的最薄的材料,石墨烯也被称作是一种二维材料。

 

   氧化石墨烯是石墨烯的“孪生弟弟”。自2004年英国物理学家在实验室内用看似不可思议的“撕胶带”的方法,从大块石墨中剥离出科学家曾理论预言不可能稳定存在的单层石墨烯以来,石墨烯这一科学名词已变得家喻户晓。短短十几年,围绕石墨烯的各项研究发展迅猛,并展现出极其广阔的应用前景。
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   正是由于这种特殊的二维原子结构,石墨烯展现出了许多普通三维材料并不具备的奇异性质。单层石墨烯的透光率高达97.7%,肉眼看过去几乎是完全透明的。它有着绝佳的导热性,热传导能力是金刚石的两倍以上。石墨烯的机械强度极大,比钢铁还要强200倍,如果把1平方米的单层石墨烯做成一张吊床,区区0.34纳米的厚度便可以稳稳地承载一只猫。石墨烯还具有十分优良的电学性质,导电性比银和铜还强,载流子迁移率比碳纳米管和硅还高。
 
   在众多潜在应用中,石墨烯净水技术不仅在原理上具备较高的可行性,在实验室也取得了许多重大突破。众所周知,活性炭作为一种常见的传统污水处理材料,内部有很多疏松的孔隙,具有很强的吸附能力。而石墨烯特殊的层状和孔状结构,使其吸附能力是活性炭的成百上千倍。在此基础上,科学家通过微观调控、修饰与改性,制造出了许多种不同的具有超高效吸附特性的石墨烯基吸附材料,它们不仅能吸附超过自身质量数百倍的污染物,还可以循环使用,大大降低使用成本。可以说,石墨烯在污水处理和海水淡化方面提供了令人惊喜的全新解决方案。

图片2石墨烯.jpg 

   正是由于这种特殊的二维原子结构,石墨烯展现出了许多普通三维材料并不具备的奇异性质。单层石墨烯的透光率高达97.7%,肉眼看过去几乎是完全透明的。它有着绝佳的导热性,热传导能力是金刚石的两倍以上。石墨烯的机械强度极大,比钢铁还要强200倍,如果把1平方米的单层石墨烯做成一张吊床,区区0.34纳米的厚度便可以稳稳地承载一只猫。石墨烯还具有十分优良的电学性质,导电性比银和铜还强,载流子迁移率比碳纳米管和硅还高。
 
   气候变化给全球许多地区造成干旱,研究人员正在寻求淡化海水的廉价而有效的新技术。在目前的海水淡化技术中,最流行的是反渗透法(RO),盐水被迫通过聚合物膜而过滤掉盐离子。但是由于需要高压的条件(500和1,000 psi之间 - 作为参考,汽车轮胎中的空气大约为40 psi),以及浪费问题(100加仑海水只能得到5到40加仑淡水),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问题。石墨烯是只有一个原子厚度的二维碳薄片。碳原子以六边形的形式排列。石墨烯本身具有优异的柔韧性、轻便性和坚固性。石墨烯作为一种高效反渗透膜的前景正在迅速实现,几家公司和大学(尤其是麻省理工学院和英国曼彻斯特大学)已经在制作脱盐过滤器的设计。
 
   由于石墨烯比传统聚合物膜薄约1000倍,所以它的渗透性要高得多。如果一个市的RO工厂用石墨烯取代目前的聚合物膜,在仍然使用高压泵的情况下,淡水产量将会大大增加。另外,石墨烯提供了一种可以替代目前昂贵泵的方法,因为石墨烯在较低的压力下即可实现海水淡化。

图片3石墨烯.jpg 

   研究人员目前正在研究的问题是如何有效地在石墨烯薄片上创建精确尺寸的孔隙——找到既不太大(否则盐离子可以通过)又不太。ūVに肿涌梢宰杂赏ü┑淖罴殉叽。相关研究发现利用氧化石墨烯可更好的实现这种目的。氧化石墨烯仍然是一个单原子厚度的薄片,但比纯石墨烯更可行,并且具有优异的防污性能。
 
   海水淡化正迅速成为一项公共卫生重点。最近我们在制造和操作大面积石墨烯方面取得的进展意味着,随着这些单原子厚的碳膜发挥作用,我们将在未来几年内看到一场革命。
                                                                                                                                         (来源:www.163.com)
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