曼徹斯特大學(xué)的國家石墨烯研究所（NGI）和總部位于英國的水過濾器制造商LifeSaver已著手進(jìn)行為期18個月的研究項(xiàng)目，將石墨烯水過濾器商業(yè)化。該伙伴關(guān)系建立在NGI石墨烯膜的研究基礎(chǔ)之上，這對于廉價有效的水處理具有前景。

石墨烯的許多有用特性之一是高流速下的水過濾，NGI的研究表明，石墨烯 – 氧化物膜可用于廉價和容易的水淡化。然而，將在曼徹斯特大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)該項(xiàng)目的Rahul Nair表示，該技術(shù)尚未商業(yè)化。

氧化石墨烯是完美的篩選

“制作基于石墨烯的便攜式水過濾器是我們的夢想，與LifeSaver的合作將使這一夢想早日實(shí)現(xiàn)，”他說。通過將NGI的石墨烯專業(yè)知識與LifeSaver在便攜式水過濾器制造方面的核心能力相結(jié)合，Nair希望該項(xiàng)目能夠創(chuàng)建基于石墨烯的過濾器，以“為最需要的人提高安全飲用水的質(zhì)量和可用性”。

LifeSaver已經(jīng)生產(chǎn)出主要面向全球旅行者的便攜式水過濾器。該公司目前的中空纖維膜的平均篩分尺寸約為15納米，足夠小，可以過濾掉細(xì)菌，微生物囊腫和病毒。通過這項(xiàng)研究合作，該公司希望開發(fā)和申請市場領(lǐng)先的水過濾產(chǎn)品，篩分尺寸為1-3納米。這將足夠小，可以去除其他常見污染物，如重金屬，農(nóng)藥，某些化學(xué)物質(zhì)，甚至可能是核輻射。

LifeSaver產(chǎn)品經(jīng)理Wesley Clarke-Sullivan說：“對于那些只在短時間內(nèi)使用可疑水源的旅行者來說，我們目前的產(chǎn)品對他們的健康風(fēng)險非常低。” “然而，對于一生中持續(xù)使用單一水源的社區(qū)而言，我們目前無法消除的水中某些元素最終可能對他們的健康產(chǎn)生不利影響?！?/p>

雖然LifeSaver的便攜式和可重復(fù)使用的水過濾器非常適合戶外運(yùn)動愛好者，但該公司的使命主要圍繞人道工作。例如，去年，在印度尼西亞發(fā)生一系列地震后，LifeSaver向現(xiàn)場派出了2000多臺凈水器，能夠提供1150萬升安全飲用水。

該公司成立于2007年，此前英國發(fā)明家Michael Pritchard創(chuàng)造了世界上第一臺可以去除最小的已知水性病毒的便攜式水過濾器。 LifeSaver希望能夠改變?nèi)蚰壳盁o法獲得安全飲用水的6.63億人的生活。

水處理的主要類型

所有的水處理都涉及固體(通常通過過濾和沉淀)、細(xì)菌、藻類和無機(jī)化合物的去除。使用過的水可以轉(zhuǎn)化為環(huán)境可接受的水，甚至通過各種處理的飲用水。

水處理大致分為工業(yè)處理和生活/市政處理。工業(yè)用水處理包括鍋爐水處理(去除或化學(xué)改性對鍋爐有害物質(zhì))、冷卻水處理(減少對工業(yè)冷卻塔的損害)和廢水處理(工業(yè)使用和污水)。廢水處理是去除廢水或污水中的大部分污染物的過程，產(chǎn)生的液體可以處理到自然環(huán)境和污泥(半固體廢物)。

廢水治療通常包括三個層次:初級(機(jī)械)水平,大約50 – 60%的固體的篩查和沉降從未經(jīng)處理的污水,第二個(生物)治療水平中溶解有機(jī)物逃脫主要治療是通過微生物消耗它作為食物轉(zhuǎn)換成二氧化碳、水和能源。三次處理去除任何殘留的雜質(zhì)，產(chǎn)生幾乎飲用水的污水。消毒，通常是用氯消毒，有時是排放污水前的一個額外步驟。由于氯氣價格高，以及對氯氣殘留物對健康的影響的擔(dān)憂，所以并不總是這樣做。

海水淡化是一種從鹽水中提取鹽，生產(chǎn)出適合飲用或灌溉的淡水的過程。雖然該技術(shù)已經(jīng)投入使用，而且在未來還有很大的發(fā)展前景，但成本仍然很高，反滲透技術(shù)消耗大量能源(脫鹽核心工藝是基于反滲透膜技術(shù))。

石墨烯是什么?

石墨烯是一種由碳原子組成的二維網(wǎng)格，以蜂窩晶格的形式排列。贏得了標(biāo)題“奇跡”材料由于驚人的大量的難以置信的屬性——這薄,單原子厚度的物質(zhì)(是太薄的事實(shí)上,你需要堆棧約三百萬層的1毫米厚鋼板!)是最輕的,最強(qiáng)的,薄的,最好的熱和電進(jìn)行材料發(fā)現(xiàn),列表并沒有就此結(jié)束。石墨烯是一個不斷進(jìn)行研究的課題，人們認(rèn)為它能夠徹底改變整個行業(yè)，因?yàn)檠芯咳藛T正在研究許多不同種類的石墨烯基材料，每一種材料都具有獨(dú)特的質(zhì)量和名稱。

石墨烯和水處理

水是一種寶貴的資源，明智地使用和維持供水是人類面臨的最重要和最關(guān)鍵的挑戰(zhàn)之一。由于飲用水(以及農(nóng)業(yè)和工業(yè)用水)總是迫切需要，因此不斷尋求新技術(shù)來降低利用水資源的過程的成本和足跡。許多研究集中在用于不同水處理用途的石墨烯上，納米技術(shù)還具有消除細(xì)菌和其他污染物的巨大潛力。

在石墨烯的眾多顯著特性中，它的恐水癥可能是對水處理最有用的特性之一。石墨烯天然排斥水，但當(dāng)其內(nèi)部形成細(xì)孔時，允許快速滲透。這引發(fā)了關(guān)于使用石墨烯進(jìn)行水過濾和脫鹽的想法，特別是一旦制造這些微孔的技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。石墨烯薄片(帶小孔穿孔)作為水過濾的一種方法被研究，因?yàn)樗鼈兡軌蜃屗肿油ㄟ^，但阻止污染物和物質(zhì)的通過。石墨烯的重量和尺寸小，有助于制造輕量、節(jié)能和環(huán)保的一代水過濾器和脫鹽器。

人們發(fā)現(xiàn)，由氧化石墨烯制成的薄膜，除了水之外，對所有氣體和蒸汽都是不透水的。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，可以制作出一個精確的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以超高速分離尺寸非常相似的原子種類，從而實(shí)現(xiàn)超高效過濾。這為以快速和相對簡單的方式使用海水作為飲用水資源的可能性打開了大門。

站在紅福大橋上向下望去，清澈的劉巷浜約有三分之一的水面鋪設(shè)著細(xì)長的“網(wǎng)”，網(wǎng)面略顯褐色，上面能看到明顯的綠色物質(zhì)，固定處用紅色浮球標(biāo)記，在水中微微漂蕩。技術(shù)合作方江蘇啟德水務(wù)有限公司負(fù)責(zé)人徐衛(wèi)東介紹，這些“網(wǎng)”就是石墨烯光催化網(wǎng)，原料是聚丙烯編織網(wǎng)，之所以能凈化水體，是因?yàn)榫W(wǎng)上附著石墨烯材料、光敏材料和光催化材料等。借助石墨烯光催化網(wǎng)，在陽光照射下，可以分解水體中的有毒有機(jī)物，增加水體溶解氧含量，同時把水中的污染物氧化成二氧化碳排放，逐漸擺脫黑臭水體的厭氧狀態(tài)，并激活河道底部的有益菌類，恢復(fù)水體自身凈化能力。整個過程不需要其他化學(xué)輔助劑，反應(yīng)條件溫和，不會產(chǎn)生二次污染，后期清理也相對容易。

說到村民們關(guān)于釣魚變得容易的疑問，洛社鎮(zhèn)河長辦負(fù)責(zé)人談鳴鳴不禁笑了，“那是因?yàn)殇佋O(shè)的石墨烯光催化網(wǎng)離河面有15厘米的距離，這段空間尤其富氧，魚兒當(dāng)然喜歡聚集在這里?！表樦闹敢浾咴诤舆呥€看到新挖好的幾個互相連通的池塘，通過水泵、管道與河道相連。“我們稱之為‘透析池’，是人造的生態(tài)濕地?！睋?jù)了解，通過種植在濕地中的水生植物初步吸附污染物，再經(jīng)由池底石英砂、煤渣形成的生物膜進(jìn)一步吸收，經(jīng)過層層“透析”的河水最后注入儲水塘，根據(jù)河道水質(zhì)情況可以回沖河道，與石墨烯光催化技術(shù)相輔相成，加速實(shí)現(xiàn)河道“魚翔淺底”的美好圖景。

在采訪結(jié)束時記者獲悉：經(jīng)過一年的綜合整治，該鎮(zhèn)已基本消滅黑臭水體，170多條村級河道中劣V類水體已下降至個位數(shù)?！按鍟浺郧敖?jīng)常喊著要求換水沖洗河道，如今經(jīng)過治理，河長辦主動讓村里換水都遭到了拒絕?！闭匄Q鳴笑言希望這樣的“被拒絕”越多越好。

對水中重金屬去除：氧化石墨烯因?yàn)楸砻婧性S多含氧基團(tuán)，可以與金屬離子，尤其是多價的金屬離子發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)。氧化石墨烯對不同的金屬離子吸附能力不同，如報道的利用氧化石墨烯去除Cu 2+。吸附符合 Langmuir 模型，GO對Cu 2+的吸附容量分別是碳納米管與活性炭的兩倍和十幾倍量。氧化石墨烯對鉛的吸附量高達(dá)800mg/g，遠(yuǎn)高于活性炭的60至120mg/g。同時，相比碳納米管，GO的制備成本較低廉，制備過程也更簡便。

對水中有機(jī)物去除：氧化石墨烯也可以和有機(jī)污染物相互作用。目前，氧化石墨烯對有機(jī)物的去除研究目前多集中于有機(jī)染料，有亞甲基藍(lán)、染料吖啶橙等。藥物和個人護(hù)膚品(PPCPs)作為近年來水處理關(guān)注的新型污染物，其去除也被廣泛關(guān)注。氧化石墨烯在此領(lǐng)域也有涉及，如對水中的藥物四環(huán)素的去除。

放射性物質(zhì)的去除：據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)報道，美國萊斯大學(xué)和俄羅斯莫斯科國立羅蒙諾索夫大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯具有非凡的吸附能力，能夠快速除去污染水體中的放射性物質(zhì)。研究人員還強(qiáng)調(diào)，捕獲放射性核素并不會減弱它們的放射性，而是使其更易被處理。以福島核電站附近的區(qū)域?yàn)槔?，可通過將氧化石墨烯添加到以離子狀態(tài)存在的放射性物質(zhì)溶液中，得到固體的核物質(zhì)，并對其進(jìn)行焚燒。在此過程中，氧化石墨烯會快速燃燒，僅剩下塊狀的放射性物質(zhì)，便于重復(fù)利用。而低成本和可生物降解的特質(zhì)也使氧化石墨烯成為了滲透性反應(yīng)墻技術(shù)的合適之選，這對于原位地下水的修復(fù)而言具有相當(dāng)?shù)囊饬x。

在海水淡化和水處理凈化膜中應(yīng)用：氧化石墨烯納米薄片也應(yīng)用于海水淡化和水處理凈化膜，可以有效抑制表面細(xì)菌生長。圖1就是微生物殺手的示意圖，研究人員將只有單個原子厚度的氧化石墨烯薄片耦合在聚酰胺膜(藍(lán)色部分)的表面來達(dá)到抑制細(xì)菌生長之目的。要將海水或污水轉(zhuǎn)變成可飲用的水取決于聚酰胺薄膜的過濾能力。微生物在薄膜上的滲入和淤積會使其去除鹽分和污染物的能力遭到破壞。但是，如果在聚酰胺材料的薄膜附著一層石墨烯氧化物納米薄片，就可以減少細(xì)菌生長，而且這些功能化的薄膜與現(xiàn)今使用的濾膜相比較，沒有必要經(jīng)常清洗，使用周期更長。(Environ. Sci.Technol. Lett.，2013, DOI: 10.1021/ez4001356)。