石墨烯再显神通！海水淡化技术取得重要突破

来源:材料科学与工程

淡水是人类和其他生命赖以生存的最宝贵的资源之一，但由于人口增长，气候变化，和水污染，它的可用性越来越低。尽管有丰富的海水作为替代水资源，海水淡化通常受到生产率低、能耗相对高的限制。膜基海水淡化技术包括最先进的反渗透(RO)技术，已被证明比热脱盐方法更有效。传统的聚合反渗透膜仍然存在这样的缺陷，如污垢阻力低，选择性差，抗污稳定性低，抗化学/热降解差。因此，寻找和探索具有更好的渗透性，选择性，化学稳定性，并能同时抗污的新材料一直是科学家们不断努力的方向。新型三种类型膜在解决水渗透性和选择性的问题上已显示出巨大的潜力，它们是超薄的纳米孔膜，如多孔石墨烯、人工水膜通道，如碳纳米管(CNTs)和层堆叠带有二维水通道的膜，包括氧化石墨烯(GO)和二硫化钼。

理论上，原子厚度的膜可以导致很高透水率，由于水通量与膜厚度成反比关系，在这些材料中，石墨烯材料表现出耐污性、耐降解性、超高机械性能、抗撕裂的强度，可调的小孔隙尺寸，可调的渗透率，化学稳定性和可伸缩的合成方法，这可能会带来具有成本效益的生产。由于这些优势，石墨烯基膜被认为是用于下一代海水淡化系统很有前景的候选者。然而，纳米多孔石墨烯在海水中的应用仍处于研究阶段，由于很难在单层上钻取半径均小于0.45 nm的无缺陷亚纳米孔而脱盐。造成这种情况的主要原因是需要均匀的亚纳米级孔径的孔隙分布，这决定了孔径的大小对纳米多孔石墨烯的选择性，对其提出了严峻的挑战，纳米孔膜的制备是关键因素，这阻碍了多孔石墨烯膜技术的大规模应用。但众多分离膜仍存在渗透性与脱盐率的矛盾问题，即要想达到高脱盐率，往往要牺牲水渗透性，难以实现两全其美，这个问题也一直困扰着科学家们。

膜的选择性依赖于膜的渗透性和选择性之间的矛盾，决定了膜分离技术的发展。近日，江苏大学和美国加州大学伯克利分校等单位的研究人员（张忠强、李少凡、丁建宁等）发现了一个以前未知的机制，使用有孔的旋转纳米多孔石墨烯膜时打破了渗透性和选择性间的矛盾，结果表明，旋转石墨烯膜具有几乎100%的盐排斥率，即使孔隙尺寸大于水合离子，且表面在液体/石墨烯界面滑移，旋转膜可同时实现超选择性和前所未有的高渗透率。作者提出了“时间选择性”的概念，将非传统选择性归结于离子通过孔的穿透时间和离子滑过孔所需的旁路时间的差异。新发现的时间选择性克服了孔隙大小的限制，提出了一种新的理论，为设计高性能膜奠定了基础。这项研究工作以“Surface slip on rotating graphene membrane enables the temporal ivity that breaks the permeability-ivity trade-off”为题发表在顶级期刊《Science Advances》上。

综上所述，在本研究中作者报道了一个新的概念，采用滑移诱导的时间选择性脱盐分离机制，打破了渗透性-选择性矛盾，而没有严格依赖于小而均匀的孔隙尺寸。此外，通过调节孔隙度、膜的厚度和旋转速度可以获得所需的渗透率和选择性。这项工作为设计高效反渗透脱盐装置打开了一扇新的大门，引发了旋转/剪切膜的理论和实验研究的蓬勃发展，进一步革新了下一代海水淡化系统的设计以及水净化技术。