石墨烯再顯神通！海水淡化技術(shù)取得重要突破

全康環(huán)保:淡水是人類和其他生命賴以生存的最寶貴的資源之一，但由于人口增長，氣候變化，和水污染，它的可用性越來越低。盡管有豐富的海水作為替代水資源，海水淡化通常受到生產(chǎn)率低、能耗相對高的限制。膜基海水淡化技術(shù)包括最先進(jìn)的反滲透(RO)技術(shù)，已被證明比熱脫鹽方法更有效。傳統(tǒng)的聚合反滲透膜仍然存在這樣的缺陷，如污垢阻力低，選擇性差，抗污穩(wěn)定性低，抗化學(xué)/熱降解差。因此，尋找和探索具有更好的滲透性，選擇性，化學(xué)穩(wěn)定性，并能同時抗污的新材料一直是科學(xué)家們不斷努力的方向。新型三種類型膜在解決水滲透性和選擇性的問題上已顯示出巨大的潛力，它們是超薄的納米孔膜，如多孔石墨烯、人工水膜通道，如碳納米管(CNTs)和層堆疊帶有二維水通道的膜，包括氧化石墨烯(GO)和二硫化鉬。

理論上，原子厚度的膜可以導(dǎo)致很高透水率，由于水通量與膜厚度成反比關(guān)系，在這些材料中，石墨烯材料表現(xiàn)出耐污性、耐降解性、超高機(jī)械性能、抗撕裂的強(qiáng)度，可調(diào)的小孔隙尺寸，可調(diào)的滲透率，化學(xué)穩(wěn)定性和可伸縮的合成方法，這可能會帶來具有成本效益的生產(chǎn)。由于這些優(yōu)勢，石墨烯基膜被認(rèn)為是用于下一代海水淡化系統(tǒng)很有前景的候選者。然而，納米多孔石墨烯在海水中的應(yīng)用仍處于研究階段，由于很難在單層上鉆取半徑均小于0.45 nm的無缺陷亞納米孔而脫鹽。造成這種情況的主要原因是需要均勻的亞納米級孔徑的孔隙分布，這決定了孔徑的大小對納米多孔石墨烯的選擇性，對其提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，納米孔膜的制備是關(guān)鍵因素，這阻礙了多孔石墨烯膜技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。但眾多分離膜仍存在滲透性與脫鹽率的矛盾問題，即要想達(dá)到高脫鹽率，往往要犧牲水滲透性，難以實(shí)現(xiàn)兩全其美，這個問題也一直困擾著科學(xué)家們。

膜的選擇性依賴于膜的滲透性和選擇性之間的矛盾，決定了膜分離技術(shù)的發(fā)展。近日，江蘇大學(xué)和美國加州大學(xué)伯克利分校等單位的研究人員（張忠強(qiáng)、李少凡、丁建寧等）發(fā)現(xiàn)了一個以前未知的機(jī)制，使用有孔的旋轉(zhuǎn)納米多孔石墨烯膜時打破了滲透性和選擇性間的矛盾，結(jié)果表明，旋轉(zhuǎn)石墨烯膜具有幾乎100%的鹽排斥率，即使孔隙尺寸大于水合離子，且表面在液體/石墨烯界面滑移，旋轉(zhuǎn)膜可同時實(shí)現(xiàn)超選擇性和前所未有的高滲透率。作者提出了“時間選擇性”的概念，將非傳統(tǒng)選擇性歸結(jié)于離子通過孔的穿透時間和離子滑過孔所需的旁路時間的差異。新發(fā)現(xiàn)的時間選擇性克服了孔隙大小的限制，提出了一種新的理論，為設(shè)計高性能膜奠定了基礎(chǔ)。這項(xiàng)研究工作以“Surface slip on rotating graphene membrane enables the temporal ivity that breaks the permeability-ivity trade-off”為題發(fā)表在頂級期刊《Science Advances》上。

圖1 海水淡化模型示意圖

圖2水通量和脫鹽率受角速度的影響

圖3滑移速度引起的超高鹽阻隔性表征

圖4滑移引起的鹽排斥的軌跡分析

圖5 孔隙率和孔徑對薄膜滲透率和選擇性的影響

圖6 與其他反滲透膜的性能對比

綜上所述，在本研究中作者報道了一個新的概念，采用滑移誘導(dǎo)的時間選擇性脫鹽分離機(jī)制，打破了滲透性-選擇性矛盾，而沒有嚴(yán)格依賴于小而均勻的孔隙尺寸。此外，通過調(diào)節(jié)孔隙度、膜的厚度和旋轉(zhuǎn)速度可以獲得所需的滲透率和選擇性。這項(xiàng)工作為設(shè)計高效反滲透脫鹽裝置打開了一扇新的大門，引發(fā)了旋轉(zhuǎn)/剪切膜的理論和實(shí)驗(yàn)研究的蓬勃發(fā)展，進(jìn)一步革新了下一代海水淡化系統(tǒng)的設(shè)計以及水凈化技術(shù)。