• 石墨烯應用海水淡化新思路 二元石墨烯薄膜可高效淡化海水

    2019年07月12日

    武漢大學/湖南大學袁荃和美國加州大學洛杉磯分校段鑲鋒等人組成的研究團隊,采用石墨烯納米篩和碳納米管相結合的方法,制備出二元結構的石墨烯薄膜,兼具有較強的選擇性分離效率和一定的機械強度,可應用于海水淡化。

    此前的理論計算證明,相比傳統海水淡化膜,石墨烯制成的單層納米孔二維薄膜具有超高的選擇性分離效率。然而,大面積石墨烯內部存在的晶界會降低石墨烯的機械性能,引入納米孔的過程將會進一步降低機械性能,導致分離薄膜容易發生局部破裂,降低分離效率和分離選擇性。

    研究人員介紹,碳納米管具有優異的機械性能,并且與石墨烯的結構類似。由碳納米管搭接形成的碳納米管薄膜,不僅可以與石墨烯的結構完美匹配,也不會影響水滲透率。因此,研究團隊想到將納米孔石墨烯與碳納米管結合來彌補上述缺陷。他們先在銅箔上生長出一層單層石墨烯,再在上面的一些區域覆蓋相互連通的碳納米管網絡,將銅箔溶蝕掉之后就得到了一張碳納米管支撐的石墨烯薄膜。這種薄膜可以不經聚合物支撐,在懸空、彎曲、拉張時不產生明顯裂縫。測試和計算結果顯示,薄膜能承受380.6MPa應力,楊氏模量達到9.7GPa,相當于納米孔石墨烯薄膜2.4倍的拉伸剛度和10000倍的彎曲剛度。

    此外,相較于商用的三乙酸纖維素淡化膜,新型石墨烯納米篩/碳納米管薄膜的水滲透率提高了100倍,抗污染能力更強。而且由于不受內部濃差極化效應制約,薄膜在高濃度鹽環境下仍然可以保持較高的水滲透率。

    目前的石墨烯海水淡化膜分為兩類,一類是以麻省理工學院科研團隊為代表所研究的單原子層厚的納米多孔薄膜。但單原子層厚的石墨烯機械強度較弱,所以實驗研究中用到的石墨烯都用了聚合物膜支撐,并且直接通過高能電子束轟擊或氧等離子體刻蝕在石墨烯內部引入亞納米孔,孔徑分布范圍較廣,極大地降低了分離效率,所以無法應用于實際。

    另外一類是諾貝爾物理學獎得主、曼徹斯特大學教授Andre Geim團隊研究的氧化石墨烯膜。氧化石墨烯容易量產,但是氧化石墨烯膜浸潤在溶液中之后,氧化石墨烯片層之間會吸水擴大層間距,降低了海水淡化效率,因此現有的研究工作主要集中于如何控制氧化石墨烯片層之間的層間距。

    此次制成的新型石墨烯納米篩/碳納米管薄膜不需要聚合物支撐就結實耐用,并兼具多種滲透效率優點,為石墨烯應用于海水淡化打開了一條新的思路。若解決量產問題,未來人們或將能喝上“石墨烯淡化水”。

    來源:淄博普菲特水處理設備有限公司

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