石墨烯膜水过滤器更快、更持久_水处理_行业资讯_资讯

2016-03-17 来源：中国过滤分离责任编辑：未填浏览数：1137 中国过滤分离网

核心提示：研究人员已经成功的将石墨烯氧化物应用于水处理，研究结果发现石墨烯氧化物纳米薄片应用于海水淡化和水处理净化膜，可以有效抑制表面细菌生长。

　　在2015年的全球风险报告中，世界经济论坛将水危机排至影响风险的首位，影响风险超过了大规模杀伤性武器，州际冲突和传染性疾病传播。研究人员已经成功的将石墨烯氧化物应用于水处理，研究结果发现石墨烯氧化物纳米薄片应用于海水淡化和水处理净化膜，可以有效抑制表面细菌生长。

　　人们对淡水资源的依赖性有据可查，在2015年联合国世界水资源发展报告中，未来十五年的全球水需求与水供应之间存在40%的短缺。农业对水的需求量最大，世界上90%的最不发达国家和地区，可用水和人类健康、食品生产都存在着明显的关联。

　　低成本的水需求

　　许多存在严重水资源短缺的地区都依靠海水淡化来进行淡水的供应。海水淡化的技术包括反渗透，但是海水淡化处理的水十分昂贵。

　　加利福尼亚州卡尔斯巴德的海水淡化厂作为最大的海水淡化处理厂，一天供水50加仑，其中7%的饮用水供给圣地亚哥地区，但这会消耗能量约750mw/天。大多数反渗透站的能源消耗超过水生产成本的50%。

　　为了解决水压力的问题，所有的水处理技术都要求精确控制孔隙大小、高度耐污染性和节约能源，即使将现在的生产效率提高10%也不具有重大的意义。

　　完美的缺陷

　　十年前，当人们意识到水中离子和分子的分离都是纳米尺度时，就开始利用纳米技术解决水问题。关于实现水的过滤进行了许多尝试，但普遍的水过滤产品尺寸较小，这让我一度怀疑将纳米技术用于水净化领域的前景。

　　幸运的是，近来石墨烯在各种领域包括水净化领域进行不断的发展。诺贝尔奖得主Andrei Geim和Rahul Nair指出，虽然在电子领域，缺陷是需要避免的，但是在水净化领域，石墨烯的缺陷可以实现除了水蒸气之外的高度不透水性。虽然精确控制孔的大小十分困难，但很多人都尝试将石墨烯应用于水净化领域。

　　在石墨烯上打孔

　　田纳西州橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员利用新技术制造纳米多孔石墨烯膜，该石墨烯膜是在单层石墨烯上制备纳米孔。该技术通过化学沉积法(CVD)，在氧等离子体上生长石墨烯，并将一些碳原子从晶格中拔出，来创建孔洞。与氧等离子体接触的时间越长，石墨烯的孔越大。

　　麻省理工大学(MIT)的研究人员采用将镓离子束轰击石墨烯表面来制备孔洞，然后通过腐蚀精确控制孔隙的大小。类似地，宾夕法尼亚州立大学的研究人员也利用该方法，通过缺陷进行水的运输。

　　但问题是，这些技术都处于早期阶段，目前来说，生产具有大面积缺陷的石墨烯还不太可能。

　　过滤中存在的小孔

　　膜的使用可能是解决水净化问题最简单的方法，但防止膜中污垢的存在比较困难。现实中，水含有多种污染物，其中微乳剂油特别容易污染膜，必须使用酸或碱清洗膜，甚至将膜清洗到全新的程度才可以使用。

　　英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)最近推出了下一代持久性“永久”膜工程。包括青石全球科技，庄信万丰，赢创，葛兰素史克，英国石油(BP)，盎格鲁用水，赛文特伦特用水，泰晤士水务公司和苏格兰水务在内的若干家公司，与曼彻斯特大学联合研发石墨烯材料。

　　向自然学习

　　石墨烯薄膜也可以应用于水净化领域。南卡罗莱纳大学的Miao Yu 和Hang Li模仿鱼鳞的功能和结构，制备出完全可恢复的高流量抗污油/水分离膜。

　　模拟覆盖鱼鳞表面稀薄黏液层的超薄涂层，并结合石墨烯的波片结构和膜的内在粗糙度，成功地再现了鱼鳞的粗糙分层结构。

　　膜性能评估测试表明，通过水冲洗膜表面，膜的恢复程度达到100%，与传统膜相比，其纯水通量率(膜传输的水量)提高了两个数量级。这是由于石墨烯片之间存在间距，从而允许水分子利用纳米毛细管作用通过，阻隔了污染物。

　　根据石墨烯水处理膜技术，公司将其商业化应用，预计将直接为海水淡化技术带来高达90%的节能率。另外，这项技术的膜生产过程较为简单，即将石墨烯片直接沉积在现有的过滤材料上。

　　避免重塑

　　从商业角度来看，将石墨烯涂层应用于现有的过滤介质很有意义。但是科学家们常常按照第一原理，试图重塑材料，这可能会导致产品的研制时间出现延误。

　　现在的最成功的科技产品(如iPod或Uber)的开发没有进行基础数据的重塑。直接利用现有的技术基础设施，可以更快的占领产品市场。

　　虽然开发出健全、低成本、高效的石墨烯过滤系统还有许多路要走，但是基于石墨烯可以进行水的传输，我们别无选择。也许未来我们可以转变思路，找到其他解决日益严重水危机的办法。

　　为了能更快、更持久的净水，科学家们将石墨烯这种超薄超强碳片作成薄膜来滤除污染物，快速净化大量水体。石墨烯的特殊性能使它成为理想的过滤膜或海水淡化膜。但是该应用中存在一大缺陷：由于将石墨烯制成单层原子超薄膜的过程极为细致，在制备过程中极有可能会造成材料的破损，从而导致污染物泄露。而现在，工程师们已经设计出方法来修补这些漏洞。

　　工程师们制定了一种利用化学沉积及聚合技术来修补上述漏洞的方法。然后他们利用该团队之前所研发的技术制备了具有均匀微孔的石墨烯薄膜，这些孔小到仅允许水分子通过。

　　将这两种技术相结合，研究人员制备出约有一美分大小且无缺陷的石墨烯薄膜。薄膜大小具有重要意义，因为如果是作为滤膜使用的话，石墨烯薄膜必须制成数厘米及以上大小。

　　在实验中，研究人员让水通过已经过缺陷修补和致孔处理过的石墨烯薄膜，结果发现通过该膜的水流速度堪比目前的海水淡化膜，而且该膜能够过滤大部分的大分子污染物如硫酸镁、葡聚糖等。

　　麻省理工学院机械工程系副教授说，该团队的研究结果表明首次成功封填石墨烯膜的缺陷。

　　至少在实验室水平上，能封堵石墨烯薄膜的缺陷，使其能够在宏观尺度上实现分子过滤，而这在之前是无法实现的，如果控制得当的话，之后甚至无需缺陷修补这一步骤。不过这还无法实现，因为目前不存在完美无缺的石墨烯，总是需要修修补补。这两个技术是制造过滤膜的例子。

　　巧妙的转移

　　目前用来海水淡化的膜都相当厚，大约200纳米左右，而利用石墨烯薄膜的好处就是，该膜厚度仅为3埃米，比现有膜薄约600倍，在相同面积下这将提高流速。

　　2009年该团队开始利用石墨烯来制备薄膜，由于金属铜能支持石墨烯以大范围生长，故他们所使用的石墨烯是生长在铜上的。但铜是不能透水的，因此还需要将该石墨烯薄膜再转移到后续制备的多孔基材上。

　　然而转移过程会对石墨烯薄膜造成损伤。石墨烯原料当中的杂质也会使石墨烯在生长过程中产生固有缺陷。

　　堵漏石墨烯

　　为了解决上述问题，该团队提出了一种方法来先解决固有缺陷，再处理转移过程造成的缺陷。研究人员采用“原子层沉积”技术处理固有缺陷，他们将石墨烯薄膜放在真空室中，在含有铪氧化物的环境中施以脉冲。通常情况下，铪氧化物不与石墨烯发生反应。然而一旦石墨烯中存在缺陷，由于缺陷处的高表面能，铪氧化物就会粘在该处，填补该缺陷。

　　经过几轮沉积后，研究人员发现沉积的铪氧化物成功填补了该石墨烯膜的纳米级固有缺陷，但是若利用沉积方法修补转移过程造成的缺陷，通常这类缺陷是固有缺陷的数百倍，则太耗费时间。

　　相反，第二种方法来修补这种缺陷。该方法被称为“界面聚合法”，通常被用在薄膜合成过程中。在填补了固有缺陷之后，他们将该膜浸没在两种溶剂界面处：水浴和与水不互溶的有机溶剂浴。

　　研究人员将两种能相互反应生成尼龙的分子分别溶解到以上两种溶剂中。一旦将该石墨烯膜放到溶液界面处，他发现只有在破损处才会形成尼龙。这是因为石墨烯不透水，只有在破损处上述两种分子才能相互接触，然后反应生成尼龙，有效封堵该处的缺陷。

　　采用他们去年研发出的技术，该团队在石墨烯膜上刻蚀出均匀微孔，该孔能拦截大分子，仅允许水分子通过。他们实验了几种含有不同分子的水，其中还包括盐，结果发现该膜能阻隔90%的大分子。然而，盐通过该膜的速度要快于水分子。

　　该石墨烯膜的缺陷封堵技术和渗透率还有待提高，但初步测试表明石墨烯可作为潜在的过滤膜替代物。

　　如果进展顺利，该技术能经受得住现实世界的不同测试要求的话，该种石墨烯膜将会在海水淡化和纳滤领域产生极大影响。但是在精细化工或生物样品处理领域，该膜同样大有作为。这是首次报道有厘米级可针对各种分子的石墨烯滤膜，这令人十分振奋。