Graphene, גיליון חד-אטומי של אטומי פחמן מסודרים בלחיצות hexagonal, צמח כאחד החומרים התכליתיים ביותר במדעי החומרים המודרניים.הכוח המכאני יוצא דופן שלו, מוליכות תרמית וחשמלית יוצאת דופן, ואזור משטח ספציפי שאין כמוהו הופך אותו מועמד ראשוני לטיפול באחד האתגרים הדוחקים ביותר של האנושות: מחסור במים גלובליים.

מדוע Graphene הוא Promising for Water Technologies

התאמתו של Graphene ליישומים הקשורים למים נובעת משילוב של תכונות פיזיות וכימיקליות שרק חומרים אחרים יכולים להתאים.שטח הפנים התיאורטי הספציפי של כ 2,630 m2/g מספק ממשק עצום עבור מודעות או מדבקים או להקלת העברת חום.חומרי הכוח המכאניים של חומר זה כ-200 פעמים של פלדה - ככל הנראה, ייצור של חומרים אולטרה-מוחניים, אשר עשויים להכיל כימיקלים רגישים, כולל חומרים כימיים רגישים, או חומרים כימיים.

אולי הכי יעיל עבור קצירת מים הוא כימיה פני השטח של גרפן.באמצעות חמצון, פונקציונליות, או היברידיזציה עם ננו-חומרים אחרים, החוקרים יכולים להתאים את הגמישות של גרפן, גודל עוף, ותכונות חשמליות.לדוגמה, גרף גולגולת (GO) - נגזר המכיל קבוצות חמצן פונקציונליות - פיזור במים וניתן לחלקן לתוך צינורות אלקטרו-מיים אלה עם מולקולות חשמליות גדולות יותר, תוך כדי גרף (מדבקות) של גרורות, תוך כדי גרף (מדבקות) של גרף (מדבקות) גרורהחומרים חשמליים).

Graphene- Based Filtration Membranes

אחת האפליקציות הבוגרות ביותר של גרפן בטכנולוגיית מים היא התפתחות של מזכרות סינון מתקדמות. osmosis הפוכה וננומטה membranes, לעתים קרובות עשוי מפולימיד דיסרט דק, סובל ממסחר בסיסי בין חדירות וסלקטיביות.

גרפן Oxide Laminar Membranes

(ג) membranes מורכב גלידות מעוותות כי צורה גלריות בין שכבות בדרך כלל החל מ 0.8 עד 1.5 nm רוחב. מולקולות מים יכול לנוע במהירות דרך ננו ערוצים אלה, מונע על ידי כוחות capillary וחיבור מימן, בעוד שדיים גדולים יותר מיובשים, מולקולות אורגניות, פתוגנים ביעילות לעבור מחקר ציוני דרך שפורסם ב-LTF:0m הוכיחה לי מלחים גבוה יותר מאשר 99% מקודמים אחרים שיכולים להשיג פקודות של מים קונבנציונליים.

התפתחויות האחרונות התמקדו בייצוב של קרומבריונים בסביבות מוזרות, כמו prise GO נוטה לנפיחות או דהילת לאורך זמן.אסטרטגיות כוללות ⁇ כימי עם דימינים, שילוב של ננוקלוז ננוקריסטלים, או הטמיעו את ה-Gobriated ב-Gobriated-Ricial ביצועים, לדוגמה, מחקר 2023 ב-FLT:0reaplesicolose מים מ-99 יחידות מחוספסיביות עם ⁇ מעוקבות קבועות עם ⁇ מגובה של 3.

שם מקור: Perous Graphene Membranes

מעבר לתכנוןים של laminar, החוקרים גם יוצרים שכבת יחיד או רק שכבות גרפן גרף עם pores תת-מטר מוכנס במכוון באמצעות טכניקות כגון פיזור פלזמה חמצן, הפצצות ion, או ריכוז אלקטרונים beam Irradiation. אלה ⁇ גרפן ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

עם זאת, קנה ⁇ גרפן קרומברנס נשאר אתגר משמעותי.יצירת סרטים גרפן גדול, ללא פגם ולאחר מכן הצגת פוגרים אחידים עם התפלגות גודל צר דורש ציוד יקר ושליטה בתהליך מדויק.עם זאת, התקדמות בפירוק כימי רול-to-roll deposition (CVD) וטכניקות העברה הופכת בהדרגה את membranes נגיש יותר עבור בדיקות בקנה מידה פיילוט.

היברידית ו-Comosite Membranes

כדי לשלב את החוזקות של גרפן עם חומרים אחרים, החוקרים מפתחים קרומברנס היברידית כי להטביע פיתיקים גרפן גרפן פולימר או גרפן שכבתי על קרמיקה תמיכה קרמיקה , אלה לעתים קרובות מציגים יציבות מכנית מוגברת, התנגדות מפרה, וטונלי משטח לטעון גרורתיים כגון: חומצה פולית 1 (PES) דיווחה על שיפור חדירציה חד פעמית של מים חד-חמצני ב-חמצני, 000 משמעותי, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

קישור חיצוני:0 (הטבע:0) , מימוש הפוטנציאל של קרום מבוסס גרפן עבור טיהור מים

אספקת מים Photothermal Water Evaporation

קציר מים מלוחים או מקורות מזוהמים באמצעות אנרגיה סולארית הוא מנהג עתיק, אבל גרפן מהפכה ביעילות של evaporation photothermal. כאשר מפוזר במים או מובנה כמו סרט או aerogel, גרפן מציג ספיגת אור רחבה-ספקטרום (מ-UV לא אינפרא אדום) וממיר ביעילות קלטות נספגות לתוך חום.

מאובנים סולאריים מבוססי Graphene-based sun Evaporators

עיצובים מוקדמים השתמשו חלקיקים תחמוצת גרפן, אשר תחת אור השמש, מחומם את המים הסובבים והערכה המושרה. עם זאת, היעילות הייתה מוגבלת על ידי אובדן חום לנוזל הגדול.גישות מודרניות להעסיק מבנים גרף ⁇ גרף כי הגבלת חום על פני השטח evaporative. תצורה טיפוסית כולל גרל תחמוצת גרף, מופחת מטבוליזם מטבוליזם, ו גרף ספוג תאים אלה יכול להגיע 90% / ספוגים מסורתיים.

דוגמה בולטת היא מחקר של 2020 ב-FLT:0 חומרים מתקדמים של חומרים מתקדמים FLT 1:1, שבו החוקרים הרכיבו קצף גרפן היררכי עם מבנה מיקרו ⁇ אשר סיפק גם תחבורה מים קפריזרי חימום יעיל שמש.המכשיר הפיק מים נקיים בקצב של 2.5 ק"ג / m2h מתחת לשמש אחת, והמים שנאספו פגשו סטנדרטים של מי שתייה עבור מלח ומיקרו-מיקרו-מדבקות יעילה יותר, יכול להיות נשמר על ידי מחזורי.

שילוב עם טכנולוגיות אחרות

מערכות גרפין Photothermal משולבים יותר ויותר עם פונקציות אחרות כדי ליצור מכשירים רב תפקודי מים קציר מים.לדוגמה, כמה חוקרים שילבו evaporators סולארי מבוסס גרפן עם מודולים תרמואלקטריים המשתמשים בטמפרטורה ⁇ בין משטח evaporating חם ואת האוויר המבולגן כדי לייצר חשמל.

כיוון מבטיח נוסף הוא שילוב של חלקיקים פוטו-קטליטיים (למשל, TiO2 או g-C3N4) על פני השטח גרפן כדי לאפשר השפלה בו זמנית של חומרים אורגניים במהלך evaporation. פונקציונליות כפולה זו מתייחסת לאחת המגבלות העיקריות של שרידי השמש הקונבנציונלית - חוסר יכולת להסיר ממזהמים כימיים שאינם מתפוגגמים בקלות.

קישור חיצוני:0.7.R.C Energy & Environmental Science: Hybrid Sun vapor Generator and thermoelectricrated DeviceFLT 1

Graphene-Enhanced aאטמוספירה יבול מים

קצירת מים אטמוספירית (AWH) – החילוץ של לחות מהאוויר – צברה אמצעי לייצור מים טריים באזורים עקשניים.חומרים המבוססים על גרפן נחקרים כדי לשפר את השלבים המשתנים וההפלה של מערכות AWH, במיוחד אלה המנצלים את מחזורי הטמפרטורה של היום.

מערכות מבוססות סוריטה עם Graphene Aerogels

desiccants כמו ג'ל סיליקה או זאוליטים יש מוגבלות מים ודורש טמפרטורות התחדשות גבוהה. Graphene aerogels - אור, רשתות ⁇ של גליונות גרפן - יכול להיות פונקציונלי עם מלחים היגסקויים יותר (למשל, LiCl, Ca2) כדי להשיג מודעות גבוהה מים פנויים, לעתים קרובות מעל 2.0 של גרם מים מהיר של רמות גרף במהירות גבוהה של גרף של חום).

במחקר שפורסם בשנת 2021 ב-FLT:0 (Science AdvancesveFLT:1), גרפן גרף ליקל-מפוארן גרף מים באוויר בלילה (כאשר לחות גבוהה) ושחרר אותו במהלך היום תחת אור השמש, ומייצר 0.5 ליטר מים לקילוגרם של מחזור כה בר קיימא.המערכת מופעלת על פני 100 מחזורים ללא שינוי, תוך הדגשת עמידות של גרף מבוסס כל כך.

ערפל מתנוסד עם Graphene-Coated Mesh

ערפל הוא טכניקה פסיבית אשר אוספת טיפות מים מן הרוח ערפל-לאדן באמצעות רשתות mesh. polypropylene meshes המסורתית יש יעילות איסוף נמוך כי טיפות קטנות נוטות לזרום סביב הסיבים ולא להשפיע עליהם.coming סיבי מים עם גרפן יכול לשפר באופן דרמטי את הנפיחות של משטח גבוה של Graphene נשלט רטובה (קבוצות חמצן הידרוגניות יכול להגדיל את המצופה meshlind) עם ערפל של צ'יפס נמוך יותר מנפח של כדור הארץ.

קישור חיצוני:0 (מדע מתקדם) Hygroscopic גרפן אווירל עבור מים אטמוספריים קצירת מים 1

שילוב עם דיסאנטיונציה סולרית-Driven

בעוד evaporation photothermal filtration הם מבטיחים באופן אישי, השילוב שלהם במערכות ציות משולב מונע השמש מציע הטבות סינרגיסטיות. Graphene יכול לשמש גם קולט פוטו-וולטאי וגם חומר membrane מספיק לענות על תפוקה אחת / לדוגמה, החוקרים פיתחו מכשיר צף המשתמש שכבת צילום מבוססת גרפן על גבי שכבת גרף משפחתי גרף לאחר מכן לחץ מים מתוקים.

פרויקטים של טייסים אחרונים בהודו ואפריקה שמדרום לסהרה בדקו את היחידות המשולבות הללו.ניסוי שדה בראג'סייתן הכפרי הראה כי השמש המבוססת על גרפן זולה עדיין יכולה לייצר 12 L/m2 ליום במשך 10 חודשים, עם דרישות תחזוקה מינימליות בהשוואה לשרידים סולאריים קונבנציונליים.ההסתמכות של המערכת על חומרים זמינים מקומיים ותהליכי ייצור פשוטים (כגון ירידה של GODigtures על פיזור נייר בר קיימא) מציעה לפריסת השמש באזורים מתפתחים.

אתגרים ו Scalability

למרות ההתקדמות של המעבדה המדהימה, יש להתגבר על כמה מחסומים לפני טכנולוגיות מים מבוססות גרפן ניתן לאמץ באופן נרחב.ראשון, הסינתזה בקנה מידה גדול של גרפן באיכות גבוהה ו תחמוצת גרפן נשאר יקר ורגיש אנרגיה.שיטות הנוכחיות, כגון חמצון של Hummers עבור ביצועים גמישים ו- CVD עבור גרפן prise, כרוכה בטמפרטורות מסוכנות, גבוה, או יקר, או ירידה אלקטרו-סיבית, יש צורך במעבדה אלקטרו-סיבית, אך יש צורך במעבדה אלקטרו-סיבית, אך לפתח אלקטרו-כימיקלים מבטיח של ביצועים אלקטרו-סיבית, אך יעילה, אך ורק כדי לפתח אלקטרו-כימיקלים אלקטרו-סיבית, אך יעילה, אך יעילה, אך יעילה, אך יעילה, אך יש צורך במעבדהיטמיים אלקטרו-סיבית, אך יש צורך במעבדהטמיים אלקטרו-סיבית עבור ביצועים אלקטרו-סיבית, אך יעילה, אך יעילה, אך יעילה, אך יעילה, אך יעילה למעבדהטמיים אלקטרו-סיבית עבור ביצועים אלקטרו-סיבית עבור ביצועים אלקטרו-סיבית עבור ביצועים אלקטרו-סיבית עבור ביצועים אלקטרו-סיבית, אך יעילה, אך יעילה, אך יעילה, אך יעילה, אך יעילה למעבדה, אך יעילה

שנית, היציבות ארוכת הטווח של חומרי גרפן בסביבות מים אמיתיים דורשת חקירה יסודית.בעוד שבדיקות מעבדה מראות ירידה מינימלית במשך ימים או שבועות, מים אמיתיים מכילים קוקטייל של חומר אורגני מומס, ⁇ , ו cations די-שוויון שיכול לגרום לשיבוש, דרוג, או פיזור של מבנים מבוססי גרפן.

שלישית, הרעילות הפוטנציאלית של גרפן ננו-חומרים מעלה חששות סביבתיים ובריאות שעלולים לעכב קבלה רגולטורית.כמה מחקרים ב-vitro מציעים כי הקצוות חדים או מינים חמצן תגובתיים שנוצרו על ידי גרפן יכולים לפגוע במזכרי תאים או לגרום ללחץ חמצון.אבל, רוב המחקרים האלה משתמשים בריכוזים גבוהים של גרפן לא מייצג של תרחישים חשיפה ריאליים.

קישור חיצוני:0 (Desalination: Life Cycle Assessment of גרפן מבוסס על קרום לטיפול במים)

קווי עתיד וגבולות מחקר

במבט קדימה, כמה מגמות מתעוררות מבטיח להאיץ את התרגום של טכנולוגיות מים גרפן ממעבדה לשוק.אחד הוא השימוש של למידת מכונה ואינטליגנציה מלאכותית כדי לייעל את הפרמטרים הסינתזה עבור קרום גרפן.על ידי מודלים הכשרה על נתונים גדולים של תוצאות ניסיוניות, החוקרים יכולים לחזות את גודל הפייק האופטימלי, רמת חמצון, ודחיסות מהירה עבור הרכב מים נתון.

גבול נוסף הוא התפתחות של תרכובות גרפיות עצמיות המכילות באופן אוטונומי יכולות לתקן microfractures או שכבות מרעישות. בהשראת מערכות ביולוגיות, החוקרים טמעו מיקרו-capsules המכילות סוכני ריפוי אשר משוחררים על הנזק. A 2023 הוכחה של תפיסה בFLT:0 הטבע ננוטכנולוגיהFLT:1 הראה כי תחמוצת גרף עם encapscapscapscapscapscapstain יכול לשחזר בעיות המקוריות לאחר פוטנציאל של נוזל מחוסנים.

לבסוף, מדיניות ושותפויות בתעשייה יהיו מכריעות.ארגונים כמו הפורום הכלכלי העולמי ו-UN's Water Access Accelerator זיהו חומרים מתקדמים כאפשרות מפתח להשגת פיתוח בר קיימא Goal 6 (מים נקיים ותברואה) יוזמות משותפות שמביאות יחד את האקדמיה, הסטארט-אפים וכלי המים יכולים לסייע בהקמת סטנדרטים לאימות ביצועים, בדיקות ארוכות טווח, ודירוג עבור לדוגמה, סוללת הדגל, הכוללת חבילת מחקר באיחוד האירופי, שכוללת כבר כמה פיילוט על גבי כמה טכנולוגיות עבודה.

מסקנה

Graphene שינתה באופן יסודי את הנוף של מים בר קיימא קציר על ידי מתן סינון מים עם סלקטיביות חסרת תקדים וכושר, evaporation עם יעילות השמש כמעט מושלמת, מים אטמוספריים ללכוד אוויר יבש אפילו. בעוד אתגרים בייצור ברת-קיימא, עמידות לטווח ארוך, בטיחות סביבתית להישאר, קצב החדשנות מציע כי פתרונות מסחריים הם בהישג יד בתוך טכנולוגיות ירוקות, במהירות, חשיפה של מים היברידית, ומאובטחת של אנשים עם התפתחות מקומית, יכולות לספק תמיכה מרכזית של אנרגיה ירוקה, במהירות גבוהה, ובטיחות, ובטיחות, ובטיחות, ובטיחות, בטווח הארוך, 000, לטווח ארוך, 000, 000, פיתוח מרכזי של אנרגיה, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, לטווח ארוך-ידי זמן ארוך-אוויר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 מבוסס-ידי חשיפה לטווח ארוך-ידי חשיפה לטווח ארוך-ידי חשיפה לטווח ארוך-ידי חשיפה לטווח ארוך-ידי פיתוח סביבתית חיוני