第一百五十四章 海水淡化
7月1日。
黄豪杰和一众海水淡化研究所的研究员，正在讨论着海水淡化技术的一些问题。
理论计算证明，石墨烯可以应用于海水淡化，制成的单层纳米孔二维薄膜相比传统海水淡化膜具有超高的选择性分离效率。
然而，大面积石墨烯内部存在的晶界会降低石墨烯的机械性能，引入纳米孔的过程将会进一步降低机械性能，导致分离薄膜容易发生局部破裂，极大地降低分离效率和分离选择性。
当然这个问题对于银河科技不算什么，原子操纵技术可以完美的解决这个问题。
目前的石墨烯海水淡化膜分为两类。
一类是以麻省理工学院教授Rohit Karnik团队为代表所研究的单原子层厚的纳米多孔薄膜。
但是，单原子层厚的石墨烯机械强度较弱，所以实验研究中用到的石墨烯都用了聚合物膜支撑。
并且直接通过高能电子束轰击或氧等离子体刻蚀在石墨烯内部引入亚纳米孔，孔径分布范围较广，极大地降低了分离效率，所以无法应用于实际。
另外一类是炸药物理学奖得主、曼彻斯特大学教授Andre Geim团队研究的氧化石墨烯膜。
氧化石墨烯容易量产，但是氧化石墨烯膜浸润在溶液中之后，氧化石墨烯片层之间会吸水扩大层间距，降低了海水淡化效率，因此现有的研究工作主要集中于如何控制氧化石墨烯片层之间的层间距。
另外国内也有相关的研究成果。
那就是制作的石墨烯纳米筛和碳纳米管相结合的二元结构石墨烯薄膜，该薄膜兼具前者的选择性分离效率和后者的强度优势。
单原子层厚的纳米多孔二维材料具有最小的水传输阻力和最大的水渗透流量，是构建超薄高效海水淡化膜的理想材料。
然而，将超薄二维材料应用于实际海水淡化面临着两大难题。
首先是如何制备具有优异机械强度和柔性的大面积无裂缝的纳米孔二维薄膜。
其次是如何在薄膜内部引入高密度均一孔径分布的亚纳米孔，实现水分子的高效选择性通过和盐离子/有机分子的有效截留。
对于第一个难题，碳纳米管具有优异的机械性能，并且与石墨烯的结构类似，两者之间可以通过π-π键和范德华力相互作用。
由碳纳米管搭接形成的碳纳米管薄膜是一种多孔的网络结构（平均孔径300 纳米）的薄膜，不仅可以与石墨烯的结构完美匹配，也不会影响水渗透率。
因此，因此国内的研究机构想到将纳米孔石墨烯与碳纳米管结合来弥补前者的缺陷。
他们先在铜箔上生长出一层单层石墨烯，再在上面的一些区域覆盖相互连通的碳纳米管网络，将铜箔溶蚀掉之后就得到了一张碳纳米管支撑的石墨烯薄膜。
为取得高密度均一孔径分布的亚纳米孔，他们在石墨烯表面生长了一层均一孔径分布的介孔氧化硅（平均孔径2纳米）作为掩模板，用氧等离子体刻蚀去掉介孔氧化硅孔径内的石墨烯。
氧等离子体刻蚀时间越长，刻蚀掉的石墨烯越多，石墨烯的孔径也就越大。
这样就可以通过调控氧等离子体刻蚀的时间来调控石墨烯纳米筛的孔径。当刻蚀时间控制在10秒时，孔径为0.63纳米，可以有效允许直径0.32纳米的水分子通过并阻挡直径0.7纳米的盐离子。
这种薄膜可以不经聚合物支撑悬空、弯曲、拉张而不产生明显裂缝。
测试和计算结果显示，新的薄膜能承受380.6MPa应力，杨氏模量达到9.7GPa，这3倍于碳纳米管薄膜，相当于纳米孔石墨烯薄膜2.4倍的拉伸刚度和10000倍的弯曲刚度。
于是，他们做出了一张又大又强韧的石墨烯介孔薄膜。
那么它的过滤性能又如何呢？
在10秒之内，刻蚀的石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜渗透率可以达到20.6升每平米每小时每大气压。
24小时渗透之后盐离子截留率大于97%。
相对商用的三乙酸纤维素淡化膜，新型石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜的水渗透率提高了100倍，抗污染能力更强。
而且由于不受内部浓差极化效应制约，薄膜在高浓度盐环境下仍然可以保持较高的水渗透率。
国内研究机构制成的新型石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜不需要聚合物支撑就结实耐用，并兼具多种渗透效率优点。
当然这种海水淡化技术，也不是没有问题的，那就是难以量产，若解决量产问题，就可以大规模应用。
黄豪杰在盯上石墨烯海水淡化技术的时候，就将这个国内研究团队挖了过来。
“袁博士，你们的海水淡化薄膜还有什么问题吗?”
听到黄豪杰的话，袁全笑着回道：
“并没有什么大问题，石墨烯和碳纳米管的复合薄膜，在原子操纵技术的帮助下，目前已经实现初步量产了，而且我们的薄膜质量非常强。”
她对于黄豪杰这个人真的非常佩服，原子操纵技术绝对是一个革命性的技术。
如果她之前的团队，研发的石墨烯碳纳米管复合薄膜，每平方米的海水淡化效率是1；那么使用原子操纵技术制作的石墨烯碳纳米薄膜，每平方米的海水淡化效率就是10。
之所以出现这样大的差距，那是因为用原子操纵技术制作的石墨烯碳纳米管复合薄膜，是没有缺陷存在的。
这种新型薄膜尽管也是石墨烯碳纳米管复合薄膜，但是强度却强大了将近十倍，强度的提升，带来可以加大气压来迫使海水加快淡化。
目前一平方米的薄膜，一小时可以产生淡水80立方米，一年可以生产淡水70万立方米。
也就是说，如果要实现年产量400亿立方米淡水，只需要5.7万平方米的薄膜。
当然这个薄膜的使用寿命大概在4100小时左右，相当于每半年需要更换一次。
而这个海水淡化薄膜的生产成本是，每平方米1500华元左右。
这样算下来，一个年产量400亿立方米淡水的工厂，每年需要采购1.71亿华元的海水淡化薄膜。
当然黄豪杰可不会成本价卖给海水淡化工厂，毕竟这个企业是国家队占大头，薄膜出厂价格至少翻五倍。
加上其他的电费之类的，一个年产量400亿立方米淡水的工厂，每年的经营成本是12亿华元左右。
相当于每立方米经营成本是0.03华元，再加上平摊设备、基建、运输费用，每立方米淡水的成本可以压缩到0.17华元左右。
目前各个行业的水费是，居民生活用水：2.80元/立方米；行政事业用水：3.90元/立方米；工商业用水：4.10元/立方米；
宾馆、饭店、餐饮业等用水：4.60元/立方米；洗浴业用水：60元/立方米；洗车业、纯净水用水：40元/立方米；农用水：0.60元/立方米。
哪怕是农用水，依旧拥有400%的利润空间。
当然由于这个企业的性质问题，除了农业用水之外，剩下的用水都是批发给各个城市使用的，批发价是0.5华元每立方米。
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黄豪杰和一众海水淡化研究所的研究员，正在讨论着海水淡化技术的一些问题。
理论计算证明，石墨烯可以应用于海水淡化，制成的单层纳米孔二维薄膜相比传统海水淡化膜具有超高的选择性分离效率。
然而，大面积石墨烯内部存在的晶界会降低石墨烯的机械性能，引入纳米孔的过程将会进一步降低机械性能，导致分离薄膜容易发生局部破裂，极大地降低分离效率和分离选择性。
当然这个问题对于银河科技不算什么，原子操纵技术可以完美的解决这个问题。
目前的石墨烯海水淡化膜分为两类。
一类是以麻省理工学院教授Rohit Karnik团队为代表所研究的单原子层厚的纳米多孔薄膜。
但是，单原子层厚的石墨烯机械强度较弱，所以实验研究中用到的石墨烯都用了聚合物膜支撑。
并且直接通过高能电子束轰击或氧等离子体刻蚀在石墨烯内部引入亚纳米孔，孔径分布范围较广，极大地降低了分离效率，所以无法应用于实际。
另外一类是炸药物理学奖得主、曼彻斯特大学教授Andre Geim团队研究的氧化石墨烯膜。
氧化石墨烯容易量产，但是氧化石墨烯膜浸润在溶液中之后，氧化石墨烯片层之间会吸水扩大层间距，降低了海水淡化效率，因此现有的研究工作主要集中于如何控制氧化石墨烯片层之间的层间距。
另外国内也有相关的研究成果。
那就是制作的石墨烯纳米筛和碳纳米管相结合的二元结构石墨烯薄膜，该薄膜兼具前者的选择性分离效率和后者的强度优势。
单原子层厚的纳米多孔二维材料具有最小的水传输阻力和最大的水渗透流量，是构建超薄高效海水淡化膜的理想材料。
然而，将超薄二维材料应用于实际海水淡化面临着两大难题。
首先是如何制备具有优异机械强度和柔性的大面积无裂缝的纳米孔二维薄膜。
其次是如何在薄膜内部引入高密度均一孔径分布的亚纳米孔，实现水分子的高效选择性通过和盐离子/有机分子的有效截留。
对于第一个难题，碳纳米管具有优异的机械性能，并且与石墨烯的结构类似，两者之间可以通过π-π键和范德华力相互作用。
由碳纳米管搭接形成的碳纳米管薄膜是一种多孔的网络结构（平均孔径300 纳米）的薄膜，不仅可以与石墨烯的结构完美匹配，也不会影响水渗透率。
因此，因此国内的研究机构想到将纳米孔石墨烯与碳纳米管结合来弥补前者的缺陷。
他们先在铜箔上生长出一层单层石墨烯，再在上面的一些区域覆盖相互连通的碳纳米管网络，将铜箔溶蚀掉之后就得到了一张碳纳米管支撑的石墨烯薄膜。
为取得高密度均一孔径分布的亚纳米孔，他们在石墨烯表面生长了一层均一孔径分布的介孔氧化硅（平均孔径2纳米）作为掩模板，用氧等离子体刻蚀去掉介孔氧化硅孔径内的石墨烯。
氧等离子体刻蚀时间越长，刻蚀掉的石墨烯越多，石墨烯的孔径也就越大。
这样就可以通过调控氧等离子体刻蚀的时间来调控石墨烯纳米筛的孔径。当刻蚀时间控制在10秒时，孔径为0.63纳米，可以有效允许直径0.32纳米的水分子通过并阻挡直径0.7纳米的盐离子。
这种薄膜可以不经聚合物支撑悬空、弯曲、拉张而不产生明显裂缝。
测试和计算结果显示，新的薄膜能承受380.6MPa应力，杨氏模量达到9.7GPa，这3倍于碳纳米管薄膜，相当于纳米孔石墨烯薄膜2.4倍的拉伸刚度和10000倍的弯曲刚度。
于是，他们做出了一张又大又强韧的石墨烯介孔薄膜。
那么它的过滤性能又如何呢？
在10秒之内，刻蚀的石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜渗透率可以达到20.6升每平米每小时每大气压。
24小时渗透之后盐离子截留率大于97%。
相对商用的三乙酸纤维素淡化膜，新型石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜的水渗透率提高了100倍，抗污染能力更强。
而且由于不受内部浓差极化效应制约，薄膜在高浓度盐环境下仍然可以保持较高的水渗透率。
国内研究机构制成的新型石墨烯纳米筛/碳纳米管薄膜不需要聚合物支撑就结实耐用，并兼具多种渗透效率优点。
当然这种海水淡化技术，也不是没有问题的，那就是难以量产，若解决量产问题，就可以大规模应用。
黄豪杰在盯上石墨烯海水淡化技术的时候，就将这个国内研究团队挖了过来。
“袁博士，你们的海水淡化薄膜还有什么问题吗?”
听到黄豪杰的话，袁全笑着回道：
“并没有什么大问题，石墨烯和碳纳米管的复合薄膜，在原子操纵技术的帮助下，目前已经实现初步量产了，而且我们的薄膜质量非常强。”
她对于黄豪杰这个人真的非常佩服，原子操纵技术绝对是一个革命性的技术。
如果她之前的团队，研发的石墨烯碳纳米管复合薄膜，每平方米的海水淡化效率是1；那么使用原子操纵技术制作的石墨烯碳纳米薄膜，每平方米的海水淡化效率就是10。
之所以出现这样大的差距，那是因为用原子操纵技术制作的石墨烯碳纳米管复合薄膜，是没有缺陷存在的。
这种新型薄膜尽管也是石墨烯碳纳米管复合薄膜，但是强度却强大了将近十倍，强度的提升，带来可以加大气压来迫使海水加快淡化。
目前一平方米的薄膜，一小时可以产生淡水80立方米，一年可以生产淡水70万立方米。
也就是说，如果要实现年产量400亿立方米淡水，只需要5.7万平方米的薄膜。
当然这个薄膜的使用寿命大概在4100小时左右，相当于每半年需要更换一次。
而这个海水淡化薄膜的生产成本是，每平方米1500华元左右。
这样算下来，一个年产量400亿立方米淡水的工厂，每年需要采购1.71亿华元的海水淡化薄膜。
当然黄豪杰可不会成本价卖给海水淡化工厂，毕竟这个企业是国家队占大头，薄膜出厂价格至少翻五倍。
加上其他的电费之类的，一个年产量400亿立方米淡水的工厂，每年的经营成本是12亿华元左右。
相当于每立方米经营成本是0.03华元，再加上平摊设备、基建、运输费用，每立方米淡水的成本可以压缩到0.17华元左右。
目前各个行业的水费是，居民生活用水：2.80元/立方米；行政事业用水：3.90元/立方米；工商业用水：4.10元/立方米；
宾馆、饭店、餐饮业等用水：4.60元/立方米；洗浴业用水：60元/立方米；洗车业、纯净水用水：40元/立方米；农用水：0.60元/立方米。
哪怕是农用水，依旧拥有400%的利润空间。
当然由于这个企业的性质问题，除了农业用水之外，剩下的用水都是批发给各个城市使用的，批发价是0.5华元每立方米。
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