王燕平
(泉州理工職業(yè)學(xué)院,福建 晉江 362269)
了解當(dāng)前生態(tài)環(huán)境可知,世界范圍內(nèi)的淡水資源緊缺一直都是人們關(guān)注和研究的重要課題。有專家預(yù)計(jì),在2030 年,全球用水需求將增加40%,此時(shí)全球?qū)⒂幸话氲娜丝诿媾R淡水資源緊缺的問(wèn)題。由此可知,在可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略方針中,海水淡化作為增加淡水資源的研究對(duì)象,也是解決21 世紀(jì)水資源緊缺問(wèn)題的最佳選擇。下面對(duì)應(yīng)用石墨烯材料進(jìn)行海水淡化的工作進(jìn)行研究與分析。
從物理角度分析,淡水就是含鹽量低于0.5g/L 的水,地球上水資源的總量為14 億立方千米,但淡水量只占據(jù)了其中的2.53%,且有68.7%還是固體冰川,儲(chǔ)備在難以開(kāi)發(fā)利用的高山、南北極兩地,更有少部分埋藏在地下,開(kāi)采起來(lái)有一定困難。由此可知,地球本身具有豐富的淡水資源,但它們并不是無(wú)窮無(wú)盡的,且整體分布也不均衡。在這一背景下,受人口數(shù)量持續(xù)增加、工業(yè)發(fā)展惡意破壞、灌溉農(nóng)業(yè)的全面擴(kuò)張等因素的影響,人們對(duì)淡水量的需求越來(lái)越多,致使發(fā)展過(guò)程中的水資源出現(xiàn)緊缺、惡化等問(wèn)題,人類在發(fā)展中面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
當(dāng)前,針對(duì)海水淡化的研究主要分為兩種,而在中東等非常缺水的區(qū)域得到了推廣:其一,多級(jí)閃蒸。這種方法是在一系列的蒸發(fā)凝固中降水,并快速加熱形成水蒸氣,而后消除其中的雜質(zhì),最終讓干凈的飲用水凝結(jié)到一起。其與我們高中化學(xué)中的冷凝管作用類似。其二,反滲透法。這種方式是通過(guò)引用高壓泵將海水壓入,此時(shí)依據(jù)反滲透膜消除其中包含的雜質(zhì),確保過(guò)濾后的水資源可以直接引用。了解實(shí)踐案例可知,這兩種方法都存在缺陷,因?yàn)樗鼈冊(cè)谑斋@水資源的同時(shí)也在消耗水資源,并排除了大量廢水,而國(guó)家在處理廢水時(shí)也需要消耗大量資源,所以選擇上述兩種方法需要消耗大量的成本。但可以明確的是,海水淡化是具備可行性的。
石墨烯是“碳材料家族”的一員,是由多個(gè)碳原子在平面依據(jù)六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu)形成一種層狀材料。因?yàn)楹穸戎挥幸粋€(gè)碳原子的大小,為0.34nm,等同于一根頭發(fā)的二十萬(wàn)分之一,是當(dāng)前人們發(fā)現(xiàn)最薄的材料,也被叫做二維材料。受這一特點(diǎn)的影響,石墨烯展現(xiàn)出了大部分三維材料沒(méi)有的奇異性質(zhì)。單層石墨烯的透光率達(dá)到了97.7%,從肉眼觀察幾乎是透明的。同時(shí),石墨烯還具備導(dǎo)熱性,具體性能可以達(dá)到金剛石的兩倍以上。
人們通過(guò)了解石墨烯展現(xiàn)出的各類優(yōu)質(zhì)物理性,對(duì)其的應(yīng)用提出了較高的期望。在近幾年的研究當(dāng)中,石墨烯凈水技術(shù)不只在原理上展現(xiàn)出極強(qiáng)的有效性,而且在實(shí)驗(yàn)探究中收獲了較大的突破。尤其是活性炭作為經(jīng)常應(yīng)用的傳統(tǒng)污水處理材料,其中包含大量疏松的孔隙,且有極強(qiáng)的吸附能力,而石墨烯展現(xiàn)出的特殊層狀和孔狀結(jié)構(gòu),擁有比活性炭高出上百甚至上千倍的吸附能力。以此為基礎(chǔ),科學(xué)家在微觀調(diào)節(jié)、修飾及整改中,提出了多種類型的石墨烯基吸附材料,其不但可以吸附超出自身質(zhì)量百倍的污染物,而且能訓(xùn)練應(yīng)用,這符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略方針的要求,有效控制了資源成本支出。換句話說(shuō),石墨烯在污水處理和海水淡化中具有極大的應(yīng)用價(jià)值。
麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系副教授Rohit Kaenik 提出,他們?cè)趯?shí)驗(yàn)探究中發(fā)現(xiàn),設(shè)計(jì)堅(jiān)韌的石墨烯基膜符合脫鹽要求,但要保障濾膜承受高壓流動(dòng),以此有效消除海水中的鹽離子。換句話說(shuō),只要石墨烯可以在高壓下進(jìn)行海水淡化,那么它在高鹽度下可以為高效節(jié)能的海水淡化提供更多可能性。
綜上所述,雖然石墨烯材料的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)非常多,如造價(jià)便宜等,但在應(yīng)用中還是存在缺陷,若是大規(guī)模推廣,很容易讓濾膜出現(xiàn)問(wèn)題,降低自身的選透性,無(wú)法繼續(xù)過(guò)濾鹽離子,因此在新時(shí)代發(fā)展背景下,科學(xué)家還要結(jié)合海水淡化特點(diǎn)和石墨烯材料的各項(xiàng)性能進(jìn)行持續(xù)探究。