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[分享] 新技術海水淡化 - 石墨烯過濾

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發表於 2017-4-11 07:48:31 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
 
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曼徹斯特大學的團隊再下一城,利用石墨烯化合物物料進行海水淡化,冀以更少能量分隔海水中的鹽分。
長久以來,假如只有一層的碳結晶平面(稱之為「石墨烯」,Graphene),科學家認為是不可能單獨存在,直至 2004 年英國曼徹斯特大學的科學家成功從石墨中分離出石墨烯,便開展了應用石墨烯的競賽。今次曼徹斯特大學的團隊再下一城,利用石墨烯化合物物料進行海水淡化,冀以更少能量分隔海水中的鹽分,研究日前刊登在「自然納米科學期刊」。

碳,原子序數為 6,是許多化合物的組成元素,碳元素的不同組成方式,則影響物質的物理和化學特性,即所謂「同素異形體」。恆久的鑽石是正八面體晶體結構;管狀排列的碳分子可組成超常強度與導電的納米碳管;此外還有六面體結晶的石墨,石墨是由多層的平面碳結晶(石墨烯)組合而成,石墨烯雖然只有一層原子這麼厚,卻是目前世界上已知的最薄和最硬的材料。

光是首次分離出石墨烯的技術就意義重大,其基本原理是以用膠帶粘走石墨上的物料,反復分離材枓,最終得出只有一層的原子,過程需配合各種顯微鏡技術觀測。曼徹斯特大學的物理學家 Konstantin Novoselov 就是以此奪得了 2010 年諾貝爾物理學獎。石墨烯具高導電性、高強度和硬度,是科學物料的明日新星。多國的科學家開展專利競賽,務求得出大量生產石墨烯的技術。

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石墨烯化合物濾膜示意圖 圖片來源:英國曼徹斯特大學
曼徹斯特大學早年便想到或可利用石墨烯的單層分子作為濾膜,不過除了直接使用石墨烯,他們把目光鎖定在更易取得的石墨烯氧化物,亦可有效隔離水中的有機化合物。假如要使用單層石墨烯作為濾膜,便需要在其中鑽出小洞,但如果濾孔大於 1 納米,鹽分便可穿過濾膜,因此需在濾膜上製造出小於 1 納米的均等小孔,技術難度較大。而較早前的研究已顯示,石墨烯氧化物可隔離海水中較大的鹽分子,但一般常見的鹽分子則需較小的濾孔,直至今次研究終於取得突破,能夠過濾普通的海鹽分子。

在新研究中,團隊解決了先前研究所面對的濾膜膨脹問題:當石墨烯氧化物濾膜浸在水裡時,會稍微膨脹,從而令細小鹽分子能穿過濾膜。團隊發現只要把環氧樹脂(epoxy resin,常見的人造樹脂)塗在濾膜的其中一面,足以防止濾膜膨脹。這能幫助科學家調整濾膜的特性,控制鹽分子通過的程度。

常見海鹽分子如氯化納(sodium chloride),在水中溶解時會吸引其他水分子圍繞鹽分子。在濾膜中的毛細管,則讓水分子能流過濾膜,卻隔開了體積較大的「鹽分子團」。領導研究團隊的 Rahul Nair 解釋:「當毛細管是約莫等於 1 納米大小,與水分子的體積相若,水分子就像火車般穿過其中。」

人口不斷增長,自然水資源卻日益枯竭,聯合國預計到 2025 年 14% 的人口將面臨水資源短缺危機。低成本的海水化淡技術是解決都市用水的關鍵。目前的海水化淡技術主要是利用聚合物濾膜,是次研究則是首次人工控制濾孔大小來化淡海水,下一步是嘗試把技術應用在市場,包括要確保濾膜耐用及防止其被鹽分或生物分子堵塞。

雖然新研究展示了更低成本海水化淡的希望,但在繼續不珍惜用水之下,無人能保證新科技能否趕上人類的末日火車。談世界末日太遙遠?面對愈來愈貴的東江水,海水化淡也是解救香港(買)水災的希望。
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