 Менее одного процента воды на Земле пригодно для питья. Удаление соли и других полезных ископаемых из крупнейших источника, морской воды, может помочь удовлетворить растущий глобальный спрос на свежую воду для питья, сельского хозяйства, транспорта, отопления, охлаждения и промышленности. Но опреснение является энергоемким процессом. Теперь, команда экспериментаторов продемонстрировал энергосберегающую технологию опреснения, использующий пористую мембрану, изготовленную из прочного, тонкого графена.
Их работа является доказательством принципа, который показывает, как можно опреснять соленую воды с отдельно стоящим, пористым графеном. Поток через мембраны графена, по крайней мере на порядок выше, чем через самые современные полимерные мембраны обратного осмоса.
Современные методы очистки воды включают дистилляцию и обратный осмос. Перегонка или нагревание смеси для извлечения летучих конденсирующихся компонентов требует значительного количества энергии. Обратный осмос - более энергоэффективный метод, который, тем не менее, требует немало энергии.
Создание поры в графене является ключевым. Без этих отверстий, вода не может перемещаться от одной стороны мембраны на другую. Молекулы воды просто слишком велики, чтобы пройти через мелкую сетку графена. Но стоит проткнуть отверстия в сетке правильного размера, и молекулы воды могут проникнуть внутрь. Ионы соли, напротив, больше, чем молекулы воды и не могуит пересечь мембрану. Пористая мембрана позволяет проходить жидкости через полупроницаемую мембрану в раствор, в котором растворитель является более концентрированным.
Сегодня фильтрами обратного осмоса, являются, как правило, полимеры. Фильтр является тонким и находится на опоре. Он занимает значительное давление, чтобы подтолкнуть воду из соленой стороне к пресноводной стороне. Если сделать более пористую мембрану тоньше, то можно увеличить поток через мембрану и снизить требования к давлению, с пределами. Это позволит уменьшить количество энергии, которое требуется для управления процессом.
Графен имеет толщину только в один атом, но при этом является гибким и прочным материалом. Его механическая и химическая стабильность делают его перспективным в мембранах для разделения. Пористая графеновая мембрана может быть более проницаемой, чем полимерная мембрана, поэтому отделенная вода будет проходить быстрее через мембрану при тех же условиях. Если использовать этот единственный слой графена, то можно увеличить поток и уменьшить площадь мембраны для достижения этого же процесса очистки.
Чтобы сделать графен для мембраны, исследователи провели метан через трубчатую печь при температуре 1000 градусах Цельсия через медную фольгу, катализируемую его разложением на углерод и водород. Химический газ осадил атомы углерода, которые самостоятельно собирались в соседние шестиугольники с образованием листа толщиной в один атом.
Исследователи перенесли графеновую мембрану на суппорт нитрида кремния с отверстием микрометрического размера. Затем они подвергли графен кислородной плазме, что сбил атомов углерода в проволочную решетку графена для создания поры. Чем дольше графеновая мембрана была подвергнута воздействию плазмы, тем больше были образовавшиеся поры.
Подготовленная мембрана разделила два водных раствора - соленую воду на одной стороне, свежую на другую. Чип нитрид кремния удерживал графеновые мембраны в месте, пока вода протекала через него от одной камеры к другой. Мембрана обеспечила быстрый перенос воды через мембрану и отклонила почти 100 процентов ионов соли, например, положительно заряженные атомы натрия и отрицательно заряженные атомы хлора.
Чтобы выяснить лучший размер пор для опреснения, исследователи опирались на Центр нанофазных материалов. Они определили, что оптимальный размер пор для эффективного опреснения составляет от 0,5 до 1 нм. Они также обнаружили, что оптимальная плотность пор для опреснения составляет одну пору на каждые 100 квадратных нанометров.
Изготовление пористых графеновых мембран, используемых в эксперименте, может стать жизнеспособным в промышленном масштабе, и могут быть изучены другие методы производства пор. Были опробованы различные подходы, в том числе облучение электронами и ионами, но ни один из них не работал. Пока что подход кислородной плазмы работал лучше.
|
