第一百五十四章 海水淡化
更新時間:2019-10-12 作者:嶺南仨人
銀河科技帝國 第一百五十四章 海水淡化
7月1日。 黃豪杰和一眾海水淡化研究所的研究員，正在討論著海水淡化技術的一些問題。 理論計算證明，石墨烯可以應用于海水淡化，制成的單層納米孔二維薄膜相比傳統海水淡化膜具有超高的選擇性分離效率。 然而，大面積石墨烯內部存在的晶界會降低石墨烯的機械性能，引入納米孔的過程將會進一步降低機械性能，導致分離薄膜容易發生局部破裂，極大地降低分離效率和分離選擇性。 當然這個問題對于銀河科技不算什么，原子操縱技術可以完美的解決這個問題。 目前的石墨烯海水淡化膜分為兩類。 一類是以麻省理工學院教授Rohit Karnik團隊為代表所研究的單原子層厚的納米多孔薄膜。 但是，單原子層厚的石墨烯機械強度較弱，所以實驗研究中用到的石墨烯都用了聚合物膜支撐。 并且直接通過高能電子束轟擊或氧等離子體刻蝕在石墨烯內部引入亞納米孔，孔徑分布范圍較廣，極大地降低了分離效率，所以無法應用于實際。 另外一類是炸藥物理學獎得主、曼徹斯特大學教授Andre Geim團隊研究的氧化石墨烯膜。 氧化石墨烯容易量產，但是氧化石墨烯膜浸潤在溶液中之后，氧化石墨烯片層之間會吸水擴大層間距，降低了海水淡化效率，因此現有的研究工作主要集中于如何控制氧化石墨烯片層之間的層間距。 另外國內也有相關的研究成果。 那就是制作的石墨烯納米篩和碳納米管相結合的二元結構石墨烯薄膜，該薄膜兼具前者的選擇性分離效率和后者的強度優勢。 單原子層厚的納米多孔二維材料具有最小的水傳輸阻力和最大的水滲透流量，是構建超薄高效海水淡化膜的理想材料。 然而，將超薄二維材料應用于實際海水淡化面臨著兩大難題。 首先是如何制備具有優異機械強度和柔性的大面積無裂縫的納米孔二維薄膜。 其次是如何在薄膜內部引入高密度均一孔徑分布的亞納米孔，實現水分子的高效選擇性通過和鹽離子/有機分子的有效截留。 對于第一個難題，碳納米管具有優異的機械性能，并且與石墨烯的結構類似，兩者之間可以通過ππ鍵和范德華力相互作用。 由碳納米管搭接形成的碳納米管薄膜是一種多孔的網絡結構（平均孔徑300 納米）的薄膜，不僅可以與石墨烯的結構完美匹配，也不會影響水滲透率。 因此，因此國內的研究機構想到將納米孔石墨烯與碳納米管結合來彌補前者的缺陷。 他們先在銅箔上生長出一層單層石墨烯，再在上面的一些區域覆蓋相互連通的碳納米管網絡，將銅箔溶蝕掉之后就得到了一張碳納米管支撐的石墨烯薄膜。 為取得高密度均一孔徑分布的亞納米孔，他們在石墨烯表面生長了一層均一孔徑分布的介孔氧化硅（平均孔徑2納米）作為掩模板，用氧等離子體刻蝕去掉介孔氧化硅孔徑內的石墨烯。 氧等離子體刻蝕時間越長，刻蝕掉的石墨烯越多，石墨烯的孔徑也就越大。 這樣就可以通過調控氧等離子體刻蝕的時間來調控石墨烯納米篩的孔徑。當刻蝕時間控制在10秒時，孔徑為0.63納米，可以有效允許直徑0.32納米的水分子通過并阻擋直徑0.7納米的鹽離子。 這種薄膜可以不經聚合物支撐懸空、彎曲、拉張而不產生明顯裂縫。 測試和計算結果顯示，新的薄膜能承受380.6MPa應力，楊氏模量達到9.7GPa，這3倍于碳納米管薄膜，相當于納米孔石墨烯薄膜2.4倍的拉伸剛度和10000倍的彎曲剛度。 于是，他們做出了一張又大又強韌的石墨烯介孔薄膜。 那么它的過濾性能又如何呢？ 在10秒之內，刻蝕的石墨烯納米篩/碳納米管薄膜滲透率可以達到20.6升每平米每小時每大氣壓。 24小時滲透之后鹽離子截留率大于97。 相對商用的三乙酸纖維素淡化膜，新型石墨烯納米篩/碳納米管薄膜的水滲透率提高了100倍，抗污染能力更強。 而且由于不受內部濃差極化效應制約，薄膜在高濃度鹽環境下仍然可以保持較高的水滲透率。 國內研究機構制成的新型石墨烯納米篩/碳納米管薄膜不需要聚合物支撐就結實耐用，并兼具多種滲透效率優點。 當然這種海水淡化技術，也不是沒有問題的，那就是難以量產，若解決量產問題，就可以大規模應用。 黃豪杰在盯上石墨烯海水淡化技術的時候，就將這個國內研究團隊挖了過來。 “袁博士，你們的海水淡化薄膜還有什么問題嗎” 聽到黃豪杰的話，袁全笑著回道： “并沒有什么大問題，石墨烯和碳納米管的復合薄膜，在原子操縱技術的幫助下，目前已經實現初步量產了，而且我們的薄膜質量非常強。” 她對于黃豪杰這個人真的非常佩服，原子操縱技術絕對是一個革命性的技術。 如果她之前的團隊，研發的石墨烯碳納米管復合薄膜，每平方米的海水淡化效率是1；那么使用原子操縱技術制作的石墨烯碳納米薄膜，每平方米的海水淡化效率就是10。 之所以出現這樣大的差距，那是因為用原子操縱技術制作的石墨烯碳納米管復合薄膜，是沒有缺陷存在的。 這種新型薄膜盡管也是石墨烯碳納米管復合薄膜，但是強度卻強大了將近十倍，強度的提升，帶來可以加大氣壓來迫使海水加快淡化。 目前一平方米的薄膜，一小時可以產生淡水80立方米，一年可以生產淡水70萬立方米。 也就是說，如果要實現年產量400億立方米淡水，只需要5.7萬平方米的薄膜。 當然這個薄膜的使用壽命大概在4100小時左右，相當于每半年需要更換一次。 而這個海水淡化薄膜的生產成本是，每平方米1500華元左右。 這樣算下來，一個年產量400億立方米淡水的工廠，每年需要采購1.71億華元的海水淡化薄膜。 當然黃豪杰可不會成本價賣給海水淡化工廠，畢竟這個企業是國家隊占大頭，薄膜出廠價格至少翻五倍。 加上其他的電費之類的，一個年產量400億立方米淡水的工廠，每年的經營成本是12億華元左右。 相當于每立方米經營成本是0.03華元，再加上平攤設備、基建、運輸費用，每立方米淡水的成本可以壓縮到0.17華元左右。 目前各個行業的水費是，居民生活用水：2.80元/立方米；行政事業用水：3.90元/立方米；工商業用水：4.10元/立方米； 賓館、飯店、餐飲業等用水：4.60元/立方米；洗浴業用水：60元/立方米；洗車業、純凈水用水：40元/立方米；農用水：0.60元/立方米。 哪怕是農用水，依舊擁有400的利潤空間。 當然由于這個企業的性質問題，除了農業用水之外，剩下的用水都是批發給各個城市使用的，批發價是0.5華元每立方米。 銀河科技帝國 第一百五十四章 海水淡化
7月1日。 黃豪杰和一眾海水淡化研究所的研究員，正在討論著海水淡化技術的一些問題。 理論計算證明，石墨烯可以應用于海水淡化，制成的單層納米孔二維薄膜相比傳統海水淡化膜具有超高的選擇性分離效率。 然而，大面積石墨烯內部存在的晶界會降低石墨烯的機械性能，引入納米孔的過程將會進一步降低機械性能，導致分離薄膜容易發生局部破裂，極大地降低分離效率和分離選擇性。 當然這個問題對于銀河科技不算什么，原子操縱技術可以完美的解決這個問題。 目前的石墨烯海水淡化膜分為兩類。 一類是以麻省理工學院教授Rohit Karnik團隊為代表所研究的單原子層厚的納米多孔薄膜。 但是，單原子層厚的石墨烯機械強度較弱，所以實驗研究中用到的石墨烯都用了聚合物膜支撐。 并且直接通過高能電子束轟擊或氧等離子體刻蝕在石墨烯內部引入亞納米孔，孔徑分布范圍較廣，極大地降低了分離效率，所以無法應用于實際。 另外一類是炸藥物理學獎得主、曼徹斯特大學教授Andre Geim團隊研究的氧化石墨烯膜。 氧化石墨烯容易量產，但是氧化石墨烯膜浸潤在溶液中之后，氧化石墨烯片層之間會吸水擴大層間距，降低了海水淡化效率，因此現有的研究工作主要集中于如何控制氧化石墨烯片層之間的層間距。 另外國內也有相關的研究成果。 那就是制作的石墨烯納米篩和碳納米管相結合的二元結構石墨烯薄膜，該薄膜兼具前者的選擇性分離效率和后者的強度優勢。 單原子層厚的納米多孔二維材料具有最小的水傳輸阻力和最大的水滲透流量，是構建超薄高效海水淡化膜的理想材料。 然而，將超薄二維材料應用于實際海水淡化面臨著兩大難題。 首先是如何制備具有優異機械強度和柔性的大面積無裂縫的納米孔二維薄膜。 其次是如何在薄膜內部引入高密度均一孔徑分布的亞納米孔，實現水分子的高效選擇性通過和鹽離子/有機分子的有效截留。 對于第一個難題，碳納米管具有優異的機械性能，并且與石墨烯的結構類似，兩者之間可以通過ππ鍵和范德華力相互作用。 由碳納米管搭接形成的碳納米管薄膜是一種多孔的網絡結構（平均孔徑300 納米）的薄膜，不僅可以與石墨烯的結構完美匹配，也不會影響水滲透率。 因此，因此國內的研究機構想到將納米孔石墨烯與碳納米管結合來彌補前者的缺陷。 他們先在銅箔上生長出一層單層石墨烯，再在上面的一些區域覆蓋相互連通的碳納米管網絡，將銅箔溶蝕掉之后就得到了一張碳納米管支撐的石墨烯薄膜。 為取得高密度均一孔徑分布的亞納米孔，他們在石墨烯表面生長了一層均一孔徑分布的介孔氧化硅（平均孔徑2納米）作為掩模板，用氧等離子體刻蝕去掉介孔氧化硅孔徑內的石墨烯。 氧等離子體刻蝕時間越長，刻蝕掉的石墨烯越多，石墨烯的孔徑也就越大。 這樣就可以通過調控氧等離子體刻蝕的時間來調控石墨烯納米篩的孔徑。當刻蝕時間控制在10秒時，孔徑為0.63納米，可以有效允許直徑0.32納米的水分子通過并阻擋直徑0.7納米的鹽離子。 這種薄膜可以不經聚合物支撐懸空、彎曲、拉張而不產生明顯裂縫。 測試和計算結果顯示，新的薄膜能承受380.6MPa應力，楊氏模量達到9.7GPa，這3倍于碳納米管薄膜，相當于納米孔石墨烯薄膜2.4倍的拉伸剛度和10000倍的彎曲剛度。 于是，他們做出了一張又大又強韌的石墨烯介孔薄膜。 那么它的過濾性能又如何呢？ 在10秒之內，刻蝕的石墨烯納米篩/碳納米管薄膜滲透率可以達到20.6升每平米每小時每大氣壓。 24小時滲透之后鹽離子截留率大于97。 相對商用的三乙酸纖維素淡化膜，新型石墨烯納米篩/碳納米管薄膜的水滲透率提高了100倍，抗污染能力更強。 而且由于不受內部濃差極化效應制約，薄膜在高濃度鹽環境下仍然可以保持較高的水滲透率。 國內研究機構制成的新型石墨烯納米篩/碳納米管薄膜不需要聚合物支撐就結實耐用，并兼具多種滲透效率優點。 當然這種海水淡化技術，也不是沒有問題的，那就是難以量產，若解決量產問題，就可以大規模應用。 黃豪杰在盯上石墨烯海水淡化技術的時候，就將這個國內研究團隊挖了過來。 “袁博士，你們的海水淡化薄膜還有什么問題嗎” 聽到黃豪杰的話，袁全笑著回道： “并沒有什么大問題，石墨烯和碳納米管的復合薄膜，在原子操縱技術的幫助下，目前已經實現初步量產了，而且我們的薄膜質量非常強。” 她對于黃豪杰這個人真的非常佩服，原子操縱技術絕對是一個革命性的技術。 如果她之前的團隊，研發的石墨烯碳納米管復合薄膜，每平方米的海水淡化效率是1；那么使用原子操縱技術制作的石墨烯碳納米薄膜，每平方米的海水淡化效率就是10。 之所以出現這樣大的差距，那是因為用原子操縱技術制作的石墨烯碳納米管復合薄膜，是沒有缺陷存在的。 這種新型薄膜盡管也是石墨烯碳納米管復合薄膜，但是強度卻強大了將近十倍，強度的提升，帶來可以加大氣壓來迫使海水加快淡化。 目前一平方米的薄膜，一小時可以產生淡水80立方米，一年可以生產淡水70萬立方米。 也就是說，如果要實現年產量400億立方米淡水，只需要5.7萬平方米的薄膜。 當然這個薄膜的使用壽命大概在4100小時左右，相當于每半年需要更換一次。 而這個海水淡化薄膜的生產成本是，每平方米1500華元左右。 這樣算下來，一個年產量400億立方米淡水的工廠，每年需要采購1.71億華元的海水淡化薄膜。 當然黃豪杰可不會成本價賣給海水淡化工廠，畢竟這個企業是國家隊占大頭，薄膜出廠價格至少翻五倍。 加上其他的電費之類的，一個年產量400億立方米淡水的工廠，每年的經營成本是12億華元左右。 相當于每立方米經營成本是0.03華元，再加上平攤設備、基建、運輸費用，每立方米淡水的成本可以壓縮到0.17華元左右。 目前各個行業的水費是，居民生活用水：2.80元/立方米；行政事業用水：3.90元/立方米；工商業用水：4.10元/立方米； 賓館、飯店、餐飲業等用水：4.60元/立方米；洗浴業用水：60元/立方米；洗車業、純凈水用水：40元/立方米；農用水：0.60元/立方米。 哪怕是農用水，依舊擁有400的利潤空間。 當然由于這個企業的性質問題，除了農業用水之外，剩下的用水都是批發給各個城市使用的，批發價是0.5華元每立方米。 銀河科技帝國 第一百五十四章 海水淡化
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