石墨烯基材料是解決淡水危機的靈丹妙藥嗎？

圖片來源：曼徹斯特大學

新研究發現，氧化石墨烯在實驗室中能夠有效過濾水中97%的氯化鈉，它會成為解決淡水危機的靈丹妙藥嗎？

撰文 劉小鷗

編輯 丁家琦

據聯合國估計，到2025年，將有18億人生活在絕對缺水的地區，同時約三分之二的人口將面臨用水緊張[1]。嚴格說來，我們的藍色星球並不缺「水」——地表超過七成面積被海洋覆蓋。人們守著這個巨大「寶庫」，卻無力掘出寶藏。

因此，不少發達國家開始投資發展海水淡化技術。利用膜材料進行選擇性分離是淡化的常用方法之一，典型的材料包括聚合物分離膜等。但目前的技術條件幾乎都存在問題，要麼耗能巨大，要麼對環境有負面影響等等[2]。

實驗中的新材料

在實驗室中，科學家探索著新型材料石墨烯家族在這一領域的應用可能。一種石墨烯衍生物也吸引了研究者的目光——氧化石墨烯（graphene oxide，也稱石墨烯氧化物）。氧化石墨烯的製備過程較為簡單，具有較大的應用可能。

之前，氧化石墨烯已經被證實能夠過濾一些納米顆粒及有機分子，但對尺寸更小的鹽卻束手無策。氯化鈉在水中溶解後，離子會被水分子簇擁，周圍形成一層「水膜」，即水合層。問題是，氧化石墨烯長時間浸泡在水中後會變形擴張，因此很難進行有效的分離。

氧化石墨烯膜系統機制示意圖。紅灰相間的代表水分子，而綠色與藍色圓點代表離子。左圖是浸泡變形的氧化石墨烯膜系統，層間距變大而無法有效進行有效分離。右圖是新研究中處理後的膜系統。

圖片來源：參考材料[2]

最近，英國的一組科學家解決了這個棘手的問題。他們利用環氧樹脂在氧化石墨烯側面「築牆加固」，不僅有效地阻止了變形，還能更精確地調控氧化石墨烯層間的間距[3]。

「當這個『毛細管』尺寸十分接近水分子，大約1納米時，水分子就會像一列火車一樣有序地排列通過通道。」研究者拉胡爾·耐爾（Rahul Nair）在接受BBC採訪時介紹[4]。

從實驗室到流水線

目前，這種方法能夠有效過濾97%的氯化鈉。儘管看起來前景光明，但它暫時仍僅僅局限於實驗室。要知道，許多研究中的「潛力股」都敗在了邁向工業生產的環節。先前也有研究嘗試將石墨烯作為淡化膜，但因石墨烯製備難度大、成本高而止步不前。

雖然氧化石墨烯確實相對容易製備，可實現低成本的工業規模生產還有很長的路要走。

此外，應用層面的諸多問題仍有待解決。比如這種材料是否經得起長期的海水浸泡的考驗，以及如何在使用過程中清理污垢，或定期更換過濾材料。材料學家拉姆·德文納森（Ram Devanathan）認為，可以考慮在材料中加入一些納米顆粒或者親水基，或許能提高膜系統的性能[2]。

接下來，科學家們計劃把這種新材料和現有材料作比較，挖掘這種新材料的更多潛力[3]。最終的目標是希望開發出一種低能耗高效的過濾膜系統[2]。

石墨烯時代到來？

在這篇論文的作者名單中，一個名字格外耀眼——安德烈·海姆（Andre Geim）。他與同事康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）因在二維材料石墨烯領域的開創性實驗方法，共同獲得了2010年諾貝爾物理學獎。

海姆與諾沃肖洛夫贈送給瑞典諾貝爾博物館的石墨、石墨烯電晶體與「簽名款」膠帶。

圖片來源：nobelprize.org

當年海姆親自帶著愛徒諾沃肖洛夫，在實驗室中利用雙面膠帶反覆粘貼揭開，從石墨薄片上剝離出了高質量的石墨烯，被媒體稱為「膠帶撕出的諾獎」[5]（海姆也於2000年獲得了「搞笑諾貝爾獎」，成為首位同時獲得「兩個諾獎」的科學家，是位非常有趣的學者。）

最近幾年，石墨烯與「親戚們」石墨烯基材料一直是科研界的「大明星」。石墨烯表現出驚人的強度、優越的導電導熱性等特點，在各個領域似乎都有它大施拳腳的可能。

但它「什麼都好」，就是既貴又少。真正令科學家頭疼的是，獲得高質量的石墨烯十分困難，更別說大規模地製備生產。

2012年，諾沃肖洛夫與該領域的專家共同探討了石墨烯未來的發展道路[6]——儘管前途一片光明，但在走上工業流水線之前，石墨烯還稱不上是「遊戲規則的改變者」。真正的石墨烯時代，可能還需要我們等一等。

參考文獻

[1] UN-Water (2013), 『Water Scarcity Factsheet, UN,http://www.unwater.org/publications/publications-detail/en/c/204294;

[2] Devanathan, R. (2017), 『Energy penalty for excess baggage』, Nature Nanotechnology;

[3] Abraham, J. et al. (2017), 『Tunable sieving of ions using graphene oxide membranes』, Nature Nanotechnology;

[5] Nobel Media AB (2010), 』Graphene – the perfect atomic lattice』, Nobelprize.org, https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/press.html;

[6] Novoselov, K. S. et al. (2012), 』A roadmap for graphene』, Nature Vol. 490, 192-200.

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