海水淡化有了新进展，我们可以不用担心淡水枯竭了吗？

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• 白骨精6699

  地球 71%的面积被水覆盖，但全部水只有 0.01%能供人类直接使用。据统计，世界上约有 6.63 亿人住在没有饮用水供给的地区，很多人需要跋涉好几个小时才能获取干净水源。

  非洲有1/3人口缺乏饮用水，近半数人口因饮用不洁净水而染病。为了解决水短缺的问题，一些沿海都纷纷开始开发海水淡化系统。但众多缺水的发展中根本无法负担由此带来的巨额成本。

  现在，这些问题的解决有了新的曙光。今天 DT 君要介绍的，就是一种低成本的能够高效淡化海水的科技——氧化石墨薄膜过滤技术。这项最新研究成果发表在了《Nature Nanotechnology》上。

  这项新技术诞生于世界顶尖的石墨科研机构——曼彻斯特“石墨研究所”。该研究所已经出过一位诺贝尔奖得主——那就是大名鼎鼎的“石墨之父”安德烈·海姆（Andre Geim）。

  因在石墨材料方面的卓越研究，安德烈·海姆和他的同事康斯坦丁·诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）获得2010年诺贝尔物理学奖。安德烈·海姆也是本次论文的通讯作者之一。

  “石墨之父”安德烈·海姆教授（如上图），任教于曼彻斯特物理学院，也是曼彻斯特石墨研究所的牵头人之一，在他的职业生涯中，海姆发表了超过150篇的顶尖文章，其中很多都发表在《自然》和《科学》杂志上。或许我们对这位“石墨之父”所知甚少，但对于常被称为“奇迹材料”石墨，相信大多数人都并不陌生。

  石墨是碳的同素异形体，也是目前世界上最薄（约为头发丝的二十万分之一）、强度最大（最大强度钢的 200 多倍）、质量最轻、导电和导热性最好、透光性（白光透光率可达97.7%）和传输性最优异（在石墨中传输速度是在硅中传输速度的数百倍）的新型材料。因此，石墨几乎在每个行业都有潜在的应用前景。

  然而，石墨在名声大噪后，并没有很快进入人们的日常生活。真正石墨大量使用的是其难以化的大规模生产。一方面，使用诸如化学气相沉积（CVD）的方法很难生产出大量的单层、性能优异的石墨；另一方面，生产成本又太高。

  然而，石墨的衍生物——氧化石墨——能够在实验室通过简单的氧化生产出来。在墨水或一些溶液中，科学家们利用某些基底材料或多孔材料来氧化石墨，然后再将其用于膜系统。考虑到氧化石墨的灵活性和成本，氧化石墨比单层石墨更具有潜在优势。

  总之，氧化石墨薄膜的独特性质使其成为过滤或脱盐领域的最佳候选膜。曼彻斯特的科学家们现在已经展示了如何将氧化石墨薄膜用于高效的过滤系统，海水淡化取得了实质性的重大突破。

  该研究团队表示，这种膜不仅能用于脱盐，而且可调谐其孔径以过滤更多类型离子。孔径均匀的可伸缩膜如果能达到原子级别的孔径，这将是一个重大突破，这将为提高海水淡化技术的效率打开一扇新的大门。

  其实，这并不是氧化石墨薄膜的首次“精彩亮相”。在此之前，这种材料已经在分离气体和过滤离子等领域取得了很大的进步。

  之前，曼彻斯特的一项研究表明，氧化石墨薄膜浸入到水中，它们会发生一些变形，使薄膜的孔径变大，因此体积较小的离子就会随着水流穿过薄膜，而体积较大的离子或分子会被阻隔，这就起了一定程度的过滤作用。

  而现在，曼彻斯特研究团队的最新研究成果显示，这些氧化石墨薄膜得到了进一步优化，避免了在水流过薄膜时造成的孔径扩张。

  最重要的是，这次他们能够精确控制氧化石墨薄膜的孔径大小，这就能够有效地阻挡不需要的离子。使用这种石墨薄膜过滤后的水能够饮用，且更安全。

  毫无疑问，这次的成果具有重大的现实意义。一方面，按照联合国的“持续发展目标”，到 2030 年，世界上的每个人都能得到基本的淡水，然而目前形势并不乐观。

  另一方面，气候变化也正在将人们置于水安全威胁的边缘，干旱、洪水、冰川融化都会导致淡水的短缺。长期下去，这些因素又会进一步影响粮食生产、医疗卫生、能源与。淡水的匮乏已经给人类带来了不容忽视的威胁。

  联合国预测，到达 2025 年，世界上将有 14%的人口面临着缺水的威胁。这项技术有望革新全世界范围内的过滤水技术，特别是对于那些不能承担起建立大规模脱盐工厂的极为有利。

  根据这项研究成果，人们可以按需设计氧化石墨薄膜的孔径，以实现“按需过滤”。地球上有充足的水，海洋就是我们充足的水库，如果我们能够大规模这种薄膜系统用于海水淡化，淡水就能很好地解决。

  目前，许多发达都在加大投资海水淡化技术，因此该技术也正处于发展的关键期。

  然而，这种石墨薄膜系统要具有商业可行性还可能需要一段时间。这些研究人员的终极目标是构建一个高效的过滤废水和海水的净化装置。主要面临的挑战有如下三点：

  第一，在上，要大规模地、廉价地生产稳定的、可持续在恶劣环境中工作的氧化石墨薄膜系统还必须考虑到该薄膜系统如何抗有机物、盐、和生物材料的腐蚀；

  第二，研究人员如何大规模地生产这种氧化石墨薄膜，并且具有广泛的应用价值也是他们面临的一项的巨大挑战；

  第三，石墨薄膜的生产过程中不可避免地会产生缺陷，如造成薄膜上不均匀的孔洞，这些孔洞对过滤和分离极其不利。

  附录：背后的原理

  通常，氧化石墨薄膜对水的透过性阻力较小，能够用于过滤和分离，质子导体，能量存储和转化等领域。然而，它们在离子筛分和脱盐技术中受到0.9纳米的渗透阈值，即直径低于0.9纳米的水合离子能够透过此膜，大于0.9纳米的离子才能被有效过滤。

  理论证明，0.9 纳米的阈值是由氧化石墨薄膜系统的层间距（d，约为 1.35 纳米）所决定的。通常，氧化石墨薄膜在水中容易膨胀，要实现更小的层间距具有相当大的挑战。有表明，层间距 d 在 0.64 纳米到 0.98 纳米范围内氧化石墨薄膜系统能够对常见盐的水合离子进行有效的过滤。

  基于这些发现，曼彻斯特的研究人员找到了一种方法（在氧化石墨薄膜的两侧引入环氧树脂）能够有效地控制孔径的扩张。经实验证实，用他们的方法能够使氧化石墨薄膜对化钠的离子的过滤率高达97%，这意味着该膜系统能够很好地进行过滤常见的盐离子。

  这完全可以称得上是该领域内一件具有里程碑式的成就。

  浏览 308赞 142时间 2023-02-24
• 小遥CITY

  不是的，就算海水淡化有了新进展，我们任要爱护环境，保护淡水不再枯竭，因为海水再怎么淡化，也还是会有些不好的元素无法净化，所以还是不能竭泽而渔

  浏览 286赞 111时间 2023-01-25
• 童心惠敏

  海水淡化虽然可以在一定程度上缓解水短缺的问题，但是淡水是有限的，人们还是应该引起重视

  浏览 462赞 133时间 2022-03-30
• AAA平淡的一生

  我们还需要担心淡水枯竭。
  因为海水的淡化成本非常高，你子目前国内的发展非常缓慢，而且对于严重缺淡水的地区，海水成了唯一的救命稻草。

  浏览 480赞 130时间 2021-12-25