分析石墨烯材料海水淡化新突破

王燕平

（泉州理工職業(yè)學(xué)院，福建 晉江 362269）

了解當(dāng)前生態(tài)環(huán)境可知，世界范圍內(nèi)的淡水資源緊缺一直都是人們關(guān)注和研究的重要課題。有專家預(yù)計(jì)，在2030 年，全球用水需求將增加40%，此時(shí)全球?qū)⒂幸话氲娜丝诿媾R淡水資源緊缺的問題。由此可知，在可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針中，海水淡化作為增加淡水資源的研究對象，也是解決21 世紀(jì)水資源緊缺問題的最佳選擇。下面對應(yīng)用石墨烯材料進(jìn)行海水淡化的工作進(jìn)行研究與分析。

1 背景介紹

從物理角度分析，淡水就是含鹽量低于0.5g/L 的水，地球上水資源的總量為14 億立方千米，但淡水量只占據(jù)了其中的2.53%，且有68.7%還是固體冰川，儲(chǔ)備在難以開發(fā)利用的高山、南北極兩地，更有少部分埋藏在地下，開采起來有一定困難。由此可知，地球本身具有豐富的淡水資源，但它們并不是無窮無盡的，且整體分布也不均衡。在這一背景下，受人口數(shù)量持續(xù)增加、工業(yè)發(fā)展惡意破壞、灌溉農(nóng)業(yè)的全面擴(kuò)張等因素的影響，人們對淡水量的需求越來越多，致使發(fā)展過程中的水資源出現(xiàn)緊缺、惡化等問題，人類在發(fā)展中面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2 海水淡化的可行性分析

當(dāng)前，針對海水淡化的研究主要分為兩種，而在中東等非常缺水的區(qū)域得到了推廣：其一，多級閃蒸。這種方法是在一系列的蒸發(fā)凝固中降水，并快速加熱形成水蒸氣，而后消除其中的雜質(zhì)，最終讓干凈的飲用水凝結(jié)到一起。其與我們高中化學(xué)中的冷凝管作用類似。其二，反滲透法。這種方式是通過引用高壓泵將海水壓入，此時(shí)依據(jù)反滲透膜消除其中包含的雜質(zhì)，確保過濾后的水資源可以直接引用。了解實(shí)踐案例可知，這兩種方法都存在缺陷，因?yàn)樗鼈冊谑斋@水資源的同時(shí)也在消耗水資源，并排除了大量廢水，而國家在處理廢水時(shí)也需要消耗大量資源，所以選擇上述兩種方法需要消耗大量的成本。但可以明確的是，海水淡化是具備可行性的。

3 基于石墨烯材料進(jìn)行海水淡化

石墨烯是“碳材料家族”的一員，是由多個(gè)碳原子在平面依據(jù)六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)形成一種層狀材料。因?yàn)楹穸戎挥幸粋€(gè)碳原子的大小，為0.34nm，等同于一根頭發(fā)的二十萬分之一，是當(dāng)前人們發(fā)現(xiàn)最薄的材料，也被叫做二維材料。受這一特點(diǎn)的影響，石墨烯展現(xiàn)出了大部分三維材料沒有的奇異性質(zhì)。單層石墨烯的透光率達(dá)到了97.7%，從肉眼觀察幾乎是透明的。同時(shí)，石墨烯還具備導(dǎo)熱性，具體性能可以達(dá)到金剛石的兩倍以上。

人們通過了解石墨烯展現(xiàn)出的各類優(yōu)質(zhì)物理性，對其的應(yīng)用提出了較高的期望。在近幾年的研究當(dāng)中，石墨烯凈水技術(shù)不只在原理上展現(xiàn)出極強(qiáng)的有效性，而且在實(shí)驗(yàn)探究中收獲了較大的突破。尤其是活性炭作為經(jīng)常應(yīng)用的傳統(tǒng)污水處理材料，其中包含大量疏松的孔隙，且有極強(qiáng)的吸附能力，而石墨烯展現(xiàn)出的特殊層狀和孔狀結(jié)構(gòu)，擁有比活性炭高出上百甚至上千倍的吸附能力。以此為基礎(chǔ)，科學(xué)家在微觀調(diào)節(jié)、修飾及整改中，提出了多種類型的石墨烯基吸附材料，其不但可以吸附超出自身質(zhì)量百倍的污染物，而且能訓(xùn)練應(yīng)用，這符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針的要求，有效控制了資源成本支出。換句話說，石墨烯在污水處理和海水淡化中具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系副教授Rohit Kaenik 提出，他們在實(shí)驗(yàn)探究中發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)堅(jiān)韌的石墨烯基膜符合脫鹽要求，但要保障濾膜承受高壓流動(dòng)，以此有效消除海水中的鹽離子。換句話說，只要石墨烯可以在高壓下進(jìn)行海水淡化，那么它在高鹽度下可以為高效節(jié)能的海水淡化提供更多可能性。

4 結(jié) 語

綜上所述，雖然石墨烯材料的應(yīng)用優(yōu)勢非常多，如造價(jià)便宜等，但在應(yīng)用中還是存在缺陷，若是大規(guī)模推廣，很容易讓濾膜出現(xiàn)問題，降低自身的選透性，無法繼續(xù)過濾鹽離子，因此在新時(shí)代發(fā)展背景下，科學(xué)家還要結(jié)合海水淡化特點(diǎn)和石墨烯材料的各項(xiàng)性能進(jìn)行持續(xù)探究。