“保溫杯”輕松淡化海水

“保溫杯”輕松淡化海水，華理學(xué)者揭示固液微觀界面奧秘

科學(xué)網(wǎng) 江慶齡 / 時間：2024-10-25 10:18:25

科學(xué)網(wǎng)10月23日訊：在電影《少年派的奇幻漂流》中，少年在茫茫大海中生存面臨的**挑戰(zhàn)是難以獲取淡水。如果他擁有一個小型手持裝置，能夠快速從海水中提取淡水，他的生存概率無疑將大大增加。

10月23日，2023年度上海市科學(xué)技術(shù)獎公布，由華東理工大學(xué)物理學(xué)院教授方海平領(lǐng)銜的研究項目“固液微觀界面動力學(xué)性質(zhì)的理論研究及其應(yīng)用”獲自然科學(xué)一等獎。

該項目中有一項落地成果——便攜式海水淡化器。這款海水淡化器的外形和尺寸類似保溫杯，不到1公斤重，可為落海者提供超過一周的淡水。其內(nèi)部采用了特殊的氧化石墨烯膜，能夠有效阻擋并過濾鹽離子，同時允許水分子通過。

眾所周知，石墨烯是由碳原子組成的蜂窩狀平面薄膜，獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使它在能源、材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。國際上普遍希望利用石墨烯的二維特性來構(gòu)筑高性能的分離膜，以解決污水處理和海水淡化等領(lǐng)域的核心技術(shù)難題。然而，這要求將石墨烯的層間距控制在十分之一納米的精度，這無疑是一個**挑戰(zhàn)性的課題。

石墨烯的蜂窩狀結(jié)構(gòu)具有一種特殊的電子行為，稱為π電子。π電子能夠與鈉離子等陽離子產(chǎn)生強(qiáng)烈的相互作用，形成離子-π作用。方海平團(tuán)隊研究證實了離子-π作用在水溶液中的重要性，并開發(fā)了相應(yīng)的計算軟件，提出利用離子精確控制石墨烯膜層間距的方法，從而實現(xiàn)離子篩分和海水淡化。2017年，相關(guān)研究發(fā)表于《自然》。

進(jìn)一步地，團(tuán)隊成功研發(fā)出一款實用化的石墨烯復(fù)合海水淡化膜。根據(jù)裝機(jī)實測的結(jié)果，該膜的水通量約為美國陶氏海水淡化膜水通量的15倍，是目前***的實用化海水淡化膜之一。此外，團(tuán)隊還制造出“保溫杯”大小的便攜式海水淡化器，該成果已入選上海市綠色技術(shù)目錄。

在石墨烯表面觀察到一氯化鈣二維晶體則是方海平團(tuán)隊的另一項重要成果是。這些一氯化鈣二維晶體具有導(dǎo)電性、室溫鐵磁性，同時具備壓電性質(zhì)和金屬性質(zhì)，在晶體管、磁性裝置、導(dǎo)電電極等研發(fā)以及儲氫、催化劑等應(yīng)用中，它們都將大有用武之地?！斑@個發(fā)現(xiàn)顛覆了傳統(tǒng)觀念，因為人們通常認(rèn)為，鈣是二價的，它的化合物必然是二氯化鈣，不可能具有鐵磁性并且絕緣。”方海平表示。

對“水滴在水層上”的奇異現(xiàn)象進(jìn)行理論預(yù)言，也是方海平獲獎項目的重要成果。研究團(tuán)隊設(shè)計了帶極化電荷的固體平面作為一般表面的模型，晶格常數(shù)和電荷大小都可以調(diào)控。在表面上晶格和電荷的誘導(dǎo)下，水分子會形成有序結(jié)構(gòu)，不再鋪展開，而是呈現(xiàn)“水滴在水層上”的現(xiàn)象。相關(guān)研究成果在2009年發(fā)表，隨后得到了國內(nèi)外多個課題組的驗證，在金屬、礦物、氧化物等10多種材料表面都發(fā)現(xiàn)了類似現(xiàn)象。值得一提是，這項進(jìn)展有望為發(fā)展既不沾污又減阻的材料提出新的設(shè)計思路，例如在船舶表面防污涂層、醫(yī)用血管支架等領(lǐng)域的應(yīng)用。

常溫下水滴在水層上。圖片由方海平團(tuán)隊提供

“多年來，我們的工作主要是運(yùn)用理論物理方法，結(jié)合統(tǒng)計物理分析和分子動力學(xué)模擬，研究水在表面、細(xì)通道內(nèi)和響應(yīng)體系中離子對其行為的影響，獲得了一些普遍規(guī)律，相信也還有更多的規(guī)律等待我們一起去發(fā)現(xiàn)，并深入應(yīng)用。”方海平說。