在2015年的全球風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告中，世界經(jīng)濟(jì)論壇將水危機(jī)排至影響風(fēng)險(xiǎn)的首位，影響風(fēng)險(xiǎn)超過(guò)了大規(guī)模殺傷性武器，州際沖突和傳染性疾病傳播。

    人們對(duì)淡水資源的依賴性有據(jù)可查，在2015年聯(lián)合國(guó)世界水資源發(fā)展報(bào)告中，未來(lái)十五年的全球水需求與水供應(yīng)之間存在40%的短缺。

    農(nóng)業(yè)對(duì)水的需求量最大，世界上90%的最不發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)，可用水和人類健康、食品生產(chǎn)都存在著明顯的關(guān)聯(lián)。

    低成本的水需求

    許多存在嚴(yán)重水資源短缺的地區(qū)都依靠海水淡化來(lái)進(jìn)行淡水的供應(yīng)。海水淡化的技術(shù)包括反滲透，但是海水淡化處理的水十分昂貴。

    圖片來(lái)源：Shutterstock/AsafEliason 

    加利福尼亞州卡爾斯巴德的海水淡化廠作為最大的海水淡化處理廠，一天供水50加侖，其中7%的飲用水供給圣地亞哥地區(qū)，但這會(huì)消耗能量約750 mw /天。大多數(shù)反滲透站的能源消耗超過(guò)水生產(chǎn)成本的50%。

    為了解決水壓力的問(wèn)題，所有的水處理技術(shù)都要求精確控制孔隙大小、高度耐污染性和節(jié)約能源，即使將現(xiàn)在的生產(chǎn)效率提高10%也不具有重大的意義。

    完美的缺陷

    十年前，當(dāng)人們意識(shí)到水中離子和分子的分離都是納米尺度時(shí)，就開始利用納米技術(shù)解決水問(wèn)題。關(guān)于實(shí)現(xiàn)水的過(guò)濾進(jìn)行了許多嘗試，但普遍的水過(guò)濾產(chǎn)品尺寸較小，這讓我一度懷疑將納米技術(shù)用于水凈化領(lǐng)域的前景。

    幸運(yùn)的是，近來(lái)石墨烯在各種領(lǐng)域包括水凈化領(lǐng)域進(jìn)行不斷的發(fā)展。諾貝爾獎(jiǎng)得主Andrei Geim和Rahul Nair指出，雖然在電子領(lǐng)域，缺陷是需要避免的，但是在水凈化領(lǐng)域，石墨烯的缺陷可以實(shí)現(xiàn)除了水蒸氣之外的高度不透水性。雖然精確控制孔的大小十分困難，但很多人都嘗試將石墨烯應(yīng)用于水凈化領(lǐng)域。

    在石墨烯上打孔

    田納西州橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)的研究人員利用新技術(shù)制造納米多孔石墨烯膜，該石墨烯膜是在單層石墨烯上制備納米孔。該技術(shù)通過(guò)化學(xué)沉積法(CVD)，在氧等離子體上生長(zhǎng)石墨烯，并將一些碳原子從晶格中拔出，來(lái)創(chuàng)建孔洞。與氧等離子體接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，石墨烯的孔越大。 

    如圖所示，紅色為石墨烯(蜂窩結(jié)構(gòu)放大圓圈)，黃色為硅原子，橙色的補(bǔ)丁為殘余聚合物。圖片來(lái)源：美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室能源部。

    麻省理工大學(xué)(MIT)的研究人員采用另一種方法，將鎵離子束轟擊石墨烯表面來(lái)制備孔洞，然后通過(guò)腐蝕精確控制孔隙的大小。類似地，賓夕法尼亞州立大學(xué)的研究人員也利用該方法，通過(guò)缺陷進(jìn)行水的運(yùn)輸。

    但問(wèn)題是，這些技術(shù)都處于早期階段，目前來(lái)說(shuō)，生產(chǎn)具有大面積缺陷的石墨烯還不太可能。

    過(guò)濾中存在的小孔

    膜的使用可能是解決水凈化問(wèn)題最簡(jiǎn)單的方法，但防止膜中污垢的存在比較困難?，F(xiàn)實(shí)中，水含有多種污染物，其中微乳劑油特別容易污染膜，必須使用酸或堿清洗膜，甚至將膜清洗到全新的程度才可以使用。

    英國(guó)工程和物理科學(xué)研究委員會(huì)(EPSRC)最近推出了價(jià)值£4600000的下一代持久性“永久”膜工程。包括青石全球科技，莊信萬(wàn)豐，贏創(chuàng)，葛蘭素史克，英國(guó)石油(BP)，盎格魯用水，賽文特倫特用水，泰晤士水務(wù)公司和蘇格蘭水務(wù)在內(nèi)的若干家公司，與曼徹斯特大學(xué)聯(lián)合研發(fā)石墨烯材料。

    向自然學(xué)習(xí)

    石墨烯薄膜也可以應(yīng)用于水凈化領(lǐng)域。南卡羅萊納大學(xué)的Miao Yu 和Hang Li模仿魚鱗的功能和結(jié)構(gòu)，制備出完全可恢復(fù)的高流量抗污油/水分離膜。

    模擬覆蓋魚鱗表面稀薄黏液層的超薄涂層，并結(jié)合石墨烯的波片結(jié)構(gòu)和膜的內(nèi)在粗糙度，成功地再現(xiàn)了魚鱗的粗糙分層結(jié)構(gòu)。

    膜性能評(píng)估測(cè)試表明，通過(guò)水沖洗膜表面，膜的恢復(fù)程度達(dá)到100%，與傳統(tǒng)膜相比，其純水通量率(膜傳輸?shù)乃?提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這是由于石墨烯片之間存在間距，從而允許水分子利用納米毛細(xì)管作用通過(guò)，阻隔了污染物。

    根據(jù)石墨烯水處理膜技術(shù)，公司將其商業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計(jì)將直接為海水淡化技術(shù)帶來(lái)高達(dá)90%的節(jié)能率。另外，這項(xiàng)技術(shù)的膜生產(chǎn)過(guò)程較為簡(jiǎn)單，即將石墨烯片直接沉積在現(xiàn)有的過(guò)濾材料上。

    避免重塑

    從商業(yè)角度來(lái)看，將石墨烯涂層應(yīng)用于現(xiàn)有的過(guò)濾介質(zhì)很有意義。但是科學(xué)家們常常按照第一原理，試圖重塑材料，這可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品的研制時(shí)間出現(xiàn)延誤。

    現(xiàn)在的最成功的科技產(chǎn)品(如iPod或Uber)的開發(fā)沒有進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重塑。直接利用現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，可以更快的占領(lǐng)產(chǎn)品市場(chǎng)。

    雖然開發(fā)出健全、低成本、高效的石墨烯過(guò)濾系統(tǒng)還有許多路要走，但是基于石墨烯可以進(jìn)行水的傳輸，我們別無(wú)選擇。也許未來(lái)我們可以轉(zhuǎn)變思路，找到其他解決日益嚴(yán)重水危機(jī)的辦法。