石墨烯用于海水淡化

包含碳原子薄晶格的单片石墨烯可能看起来相当脆弱。但麻省理工学院的工程师发现，超薄材料非常坚固，在施加至少100巴的压力下保持完好。这相当于典型厨房龙头产生的压力的20倍。

研究人员发现，承受这种高压的关键在于将石墨烯与薄的底层支撑基板结合在一起，这种支撑基板被微孔或毛孔堵塞。衬底的孔越小，石墨烯在高压下的弹性越大。

麻省理工学院机械工程系副教授Rohit Karnik表示，该团队的结果今天在Nano Letters杂志上报道，是设计坚韧的石墨烯基膜的指南，特别适用于脱盐等应用，其中滤膜必须承受高压流动以有效地从海水中去除盐。

我们在这里展示石墨烯有可能推动高压膜分离的界限，如果石墨烯基膜能够在高压下进行海水淡化，那么它在高盐度下为高效节能的海水淡化开辟了许多有趣的可能性。

现有的膜通过反渗透对水进行脱盐，这种过程是通过向包含盐水的膜的一侧施加压力以将纯水推过膜，同时防止盐和其他分子通过。

许多商业膜在约50至80巴的施加压力下使水脱盐，超过该压力它们倾向于变得致密或性能受损。如果膜能够承受100巴或更高的更高压力，那么它们将通过回收更多的淡水而使海水更有效的脱盐。高压膜也可能能够净化非常咸的水，例如脱盐的剩余盐水，这通常太浓以致膜不能通过纯水。

很明显，水源压力不会很快消失，淡化是淡水的主要来源。在能源方面，反渗透是脱盐最有效的方法之一。如果膜能够在更高的压力下运行，这将在高能效下实现更高的水回收率。

科学家们进行了实验，以了解他们可以推动石墨烯的耐压能力。先前的模拟已经预测放置在多孔载体上的石墨烯可以在高压下保持完整。然而，直到现在还没有直接的实验证据支持这些预测。

研究人员使用称为化学气相沉积的技术生长石墨烯片，然后将单层石墨烯置于多孔聚碳酸酯薄片上。每张纸都设计有特定尺寸的孔，直径范围从30纳米到3微米。

为了衡量石墨烯的坚固性，研究人员集中研究了他们称之为“微膜”石墨烯悬浮在下面基板孔隙的区域，类似于躺在瑞士奶酪孔上的细网。

科学家将石墨烯 - 聚碳酸酯膜置于腔室的中间，上半部分泵入氩气，使用压力调节器控制气体的压力和流量。研究人员还测量了腔体下半部分的气体流速，推断出下半部分流速的任何增加都表明石墨烯薄膜的一部分由于上半部分产生的压力而失效或“爆裂”的房间。

他们发现，放置在200纳米宽或更小的孔隙上的石墨烯可承受100巴的压力 - 几乎是海水淡化中常见压力的两倍。随着底层孔隙的尺寸减小，研究人员观察到保持完好的微膜数量增加。卡尼克说，这种孔径对决定石墨烯的坚固性至关重要。

石墨烯就像一座悬索桥，施加的压力就像站在桥上的人一样。如果五个人可以站在一座短桥上，那么重量或者压力就可以。但如果用同一根绳子制造的桥梁悬挂在更大的距离上，它会承受更多的压力，因为有更多的人站在它上面。

换句话说，石墨烯可以耐受高压，同时有选择地滤除海水中的水分？作为回答这个问题的第一步，该团队制造了纳米多孔石墨烯作为非常简单的石墨烯过滤器。研究人员利用他们以前开发的一种技术在石墨烯片上蚀刻纳米尺寸的孔隙。然后他们暴露这些床单增加压力。

一般来说，他们发现石墨烯中的皱纹与微膜是否爆裂无关，不管施加的压力如何。即使在低至30巴的压力下，沿皱纹放置的多孔石墨烯的部分也会失败或爆裂，而未皱纹的部分在高达100巴的压力下保持完整。同样，即使在起皱的区域，多孔石墨烯中的微膜也越有可能存活下来的基底孔隙越小。

总体而言，这项研究告诉我们，单层石墨烯具有承受极高压力的潜力，而且100个柱不是极限 - 从某种意义上说它是舒适的，只要石墨烯坐落的孔径足够小，我们的研究提供了关于如何针对不同的应用和压力范围设计石墨烯膜和支撑的指南。

加州大学伯克利分校土木与环境工程助理教授巴萨米说，石墨烯被公认为世界上最强的材料之一。直到现在，多孔石墨烯是否能表现出相似的强度还不确定。

这项研究可以肯定[石墨烯]在过滤，化学/制药分离，水净化和脱盐方面的潜在应用。要实现这一目标还需要克服更多的挑战，例如在石墨烯上创建小而均匀的孔隙并能够扩大规模。如果成功，这项技术将成为海水淡化的一个神迹。