Mindre än 1 procent av jordens vatten är drickbart. Att ta bort salt och andra mineraler från vår största tillgängliga vattenkälla – havsvatten – kan hjälpa till att tillfredsställa en växande global befolkning som är törstig efter färskvatten att dricka, jordbruk, transport, uppvärmning, kyla och industri. Men avsaltning är en energikrävande process, som berör dem som vill utöka dess tillämpning.

Nu, ett team av experimentalister ledda av Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har visat en energieffektiv avsaltningsteknik som använder ett poröst membran tillverkat av stark, smal grafen – en bikaka av kol med en atomtjocklek. Resultaten publiceras i onlinenumret för den 23 mars Naturens nanoteknik .

"Vårt arbete är ett principbevis som visar hur du kan avsalta saltvatten med fristående, porös grafen, " sa Shannon Mark Mahurin från ORNL:s avdelning för kemiska vetenskaper, som ledde studien tillsammans med Ivan Vlassiouk på ORNL:s division för energi och transportvetenskap.

"Det är ett stort framsteg, sade Vlassiouk, pekar på att en mängd vatten färdas genom det porösa grafenmembranet. "Flödet genom de nuvarande grafenmembranen var åtminstone en storleksordning högre än [det genom] state-of-the-art polymermembran för omvänd osmos."

Nuvarande metoder för att rena vatten inkluderar destillation och omvänd osmos. Destillering, eller värma en blandning för att extrahera flyktiga komponenter som kondenserar, kräver en betydande mängd energi. Omvänd osmos, en mer energieffektiv process som ändå kräver en hel del energi, är grunden för ORNL-tekniken.

Att göra porer i grafen är nyckeln. Utan dessa hål, vatten kan inte resa från ena sidan av membranet till den andra. Vattenmolekylerna är helt enkelt för stora för att passa genom grafens fina nät. Men stick hål i nätet som har precis rätt storlek, och vattenmolekyler kan tränga in. Saltjoner, i kontrast, är större än vattenmolekyler och kan inte passera membranet. Det porösa membranet tillåter osmos, eller passage av en vätska genom ett semipermeabelt membran till en lösning i vilken lösningsmedlet är mer koncentrerat. "Om du har saltvatten på ena sidan av ett poröst membran och sötvatten på den andra, ett osmotiskt tryck tenderar att föra tillbaka vattnet till saltvattensidan. Men om du övervinner det, och du vänder på det, och du trycker vattnet från saltvattensidan till sötvattensidan – det är den omvända osmosprocessen, " förklarade Mahurin.

Idag är filter för omvänd osmos vanligtvis polymerer. Ett filter är tunt och sitter på ett stöd. Det krävs betydande tryck för att trycka vatten från saltvattensidan till sötvattensidan. "Om du kan göra membranet mer poröst och tunnare, du kan öka flödet genom membranet och minska tryckkraven, inom gränser, Mahurin sa. "Allt det tjänar till att minska mängden energi som krävs för att driva processen."

Grafen till undsättning Grafen är bara en atoms tjockt, men ändå flexibel och stark. Dess mekaniska och kemiska stabilitet gör den lovande i membran för separationer. Ett poröst grafenmembran kan vara mer permeabelt än ett polymermembran, så att separerat vatten skulle köra snabbare genom membranet under samma förhållanden, resonerade forskarna. "Om vi ​​kan använda detta enda lager av grafen, vi kunde sedan öka flödet och minska membranytan för att åstadkomma samma reningsprocess, sa Mahurin.

För att göra grafen för membranet, forskarna flödade metan genom en rörugn vid 1, 000 grader C över en kopparfolie som katalyserade dess nedbrytning till kol och väte. Den kemiska ångan avsatte kolatomer som självmonterades till angränsande hexagoner för att bilda ett ark med en atomtjocklek.

Forskarna överförde grafenmembranet till ett kiselnitridstöd med ett mikrometerstort hål. Sedan exponerade teamet grafenet för en syreplasma som slog ut kolatomer ur grafenens kycklingtrådsgaller i nanoskala för att skapa porer. Ju längre grafenmembranet exponerades för plasman, desto större porer som bildades, och desto mer gjorda.

Det förberedda membranet separerade två vattenlösningar - saltvatten på ena sidan, fräsch på den andra. Kiselnitridchipset höll grafenmembranet på plats medan vatten strömmade genom det från en kammare till den andra. Membranet tillät snabb transport av vatten genom membranet och kasserade nästan 100 procent av saltjonerna, t.ex., positivt laddade natriumatomer och negativt laddade kloridatomer.

För att ta reda på den bästa porstorleken för avsaltning, forskarna förlitade sig på Center for Nanophase Materials Sciences (CNMS), en DOE Office of Science User Facility på ORNL. Där, aberrationskorrigerad scanning transmission elektronmikroskopi (STEM) avbildning, ledd av Raymond Unocic, tillåtet för atomupplösningsavbildning av grafen, som forskarna använde för att korrelera grafenmembranets porositet med transportegenskaper. De fastställde att den optimala porstorleken för effektiv avsaltning var 0,5 till 1 nanometer, sa Mahurin.

De fann också att den optimala tätheten av porer för avsaltning var en por för varje 100 kvadratnanometer. "Ju fler porer du får, desto bättre, upp till en punkt tills du börjar försämra någon mekanisk stabilitet, sa Mahurin.

Vlassiouk sa att det är lönsamt att tillverka de porösa grafenmembranen som användes i experimentet i industriell skala, och andra metoder för produktion av porerna kan utforskas. "Olika tillvägagångssätt har prövats, inklusive bestrålning med elektroner och joner, men ingen av dem fungerade. Än så länge, syrgasplasmametoden fungerade bäst, ", tillade han. Han oroar sig mer för gremlins som plågar dagens membran för omvänd osmos - tillväxt på membranytor som täpper till dem (kallas "bioföroreningar") och säkerställer den mekaniska stabiliteten hos ett membran under tryck.