关于支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻业 订阅。 通过购买订阅，您将有助于确保未来能够继续讲述关于塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事。
地球蕴藏着大约 14亿立方千米的水。不幸的是，绝大多数水来自海洋，除非经过昂贵且高耗能的海水淡化厂处理，否则无法饮用。这些问题主要源于将盐离子从水分子中分离出来的效率低下，而来自麻省理工学院的一个材料科学家团队表示，解决方案在于从根本上改进这一过程。
目前主要的淡化方法——反渗透（RO）——依赖于聚合物基膜来去除盐分，并且需要很大的压力才能将水推过半透膜。施加的压力越大，成本越高。麻省理工学院的研究人员，由杰弗里·格罗斯曼和大卫·科恩-塔努吉领导，提出用石墨烯制成的薄膜可以过滤掉盐分，而不会像现在这样抑制水流。石墨烯是一种超强度的碳片，只有一个原子厚，主要被视为用于改进电子产品和光通信的材料。
反渗透比其他淡化方法（如热蒸馏）需要的能量更少，但研究人员上个月在纳米快报上在线报告称，含有比目前使用的聚合物更具渗透性的纳米级孔隙的石墨烯膜将进一步降低能源需求。
这个想法是根据尺寸来区分水分子和盐离子。“反渗透使用尺寸排阻，但它排阻所有东西，”动力工程副教授格罗斯曼说。
格罗斯曼说，石墨烯膜将提供明确定义的通道，允许水分子在较低压力下通过，同时阻挡盐离子。
麻省理工学院的研究人员使用软件模拟，实验了不同的孔径来淡化盐浓度为每升72克的海水，大约是通常在海洋中发现的盐度的两倍。他们发现，至少在理论上，直径为0.7至0.9纳米的孔隙在让水分子通过的同时阻挡钠离子最有效。“那是最佳点，”格罗斯曼说。“如果更大，盐会流过。如果更小，什么都无法通过。”
格罗斯曼和他的团队正在努力确定是否可以使用化学反应来调整海水淡化性能。研究人员对他们的数字石墨烯孔隙进行了编程，使其涂有疏水性（憎水）或亲水性（喜水）原子。前者减缓了水流，但减少了通过的盐离子，而后者允许更快的流动，但阻挡的盐离子较少。涂层的类型最终可能取决于给定设施的条件。尽管如此，科学家们报告说，模拟表明石墨烯纳米孔可以以比反渗透膜高两到三个数量级的水渗透率排斥盐离子。
当然，在现实中处理石墨烯比在计算机上从数字水分子中过滤像素化的盐更具挑战性。格罗斯曼承认，首先，虽然可以使用化学蚀刻和离子束在石墨烯中制造孔洞，但在均匀的配置中生产特定尺寸的孔洞很困难。石墨烯也没有消除可以将多少剩余盐水安全地返回海洋而不损害水下栖息地的问题。毒性也可能是一个重要的问题，他说，“尽管就[石墨烯]对饮用水[安全性]的潜在影响而言，目前还没有真正的答案。”
格罗斯曼不知道何时才能将石墨烯基海水淡化技术用于商业用途。不过，他和他的团队继续运行模拟，并已开始在实验室中测试实际的膜，以研究流速和盐度。
预计未来几年全球对饮用水的需求将不断增长。格罗斯曼说，满足这一需求的关键不一定在于调整现有技术。“我们环顾四周，看看科学界有哪些人在从事海水淡化工作，他们大多是从事系统层面的机械工程师，”他说。“在使用基础科学并从底层做起进行系统设计方面做得很少。”