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1、利用碳纳米管淡化海水日期：2009-07-20 作者：莜柯 来源：科学画报十几年前，美国国立卫生研究院的格哈德胡默等人创建了一个计算机模型，模拟碳纳米管中液体的流动情况。在这个模型中，一个虚拟的直径为 0.8 纳米的碳纳米管被浸入到虚拟的一缸水中。因为碳纳米管道很窄，而且具有疏水性，所以，最初他们设想，水无法通过碳纳米管道。不料，戏剧般的情景发生了，水分子排成线形，迅速通过管道。他们进一步调整模型，稍微增大水分子和碳纳米管的碳原子之间的排斥力。这时，碳纳米管道里的水流瞬间消失。当他们减小排斥力时，碳纳米管里的水流重新恢复。看来，小幅度地改变碳纳米管的化学性质，就可以促使水通过碳纳米管道。接着，
2、他们在计算机模型中模拟一排碳纳米管中液体的流动情况。在这个模型中，他们把直径为 0.8 纳米的碳纳米管阵列嵌入虚拟的薄膜上。将纯水置于薄膜的一边，盐水置于薄膜的另一边。因为盐水的离子浓度高，所以，在浓度差形成的动力的驱使下，纯水流过薄膜上的碳纳米管道，来到盐水这边。这回令他们惊奇的是水流的速度：水分子通过管道时畅通无阻，几乎不费吹灰之力，速度是理论值的 1 万倍。更重要的是，离子无法通过碳纳米管道。而理论上，碳纳米管的宽度足以让离子通过。原因很简单。盐水中的带电离子被水分子环绕，形成“水合壳”，就像乌龟背着重重的壳一样。而碳纳米管道里的空间有限，容不下“水合壳”。于是，水分子之间“手拉手”，排
3、成一条有序的队伍，穿过碳纳米管道。轮到离子上阵时，它那重重的“水合壳”阻挡了它的去路。因为卸下壳还要耗费很多能量，所以它们便放弃了。胡默发现，这个模型所模拟的过程有点类似淡化海水中的逆向渗透过程。在逆向渗透过程中，当海水流过半透膜时，离子无法通过，通过的水便成为淡水了。但是，这一过程需要耗费大量能量，把海水泵入半透膜，这也正是淡化海水成本昂贵的原因之一。如果把既能让水分子通过，又能拦下离子的碳纳米管道用于脱盐，不仅可以提高淡化海水的效率，还能够节约成本。不过，这些具有特殊“才艺”的碳纳米管曾经只是计算机里的模型。要想进行真正的实验，则需要攻克两个难题：一是构建嵌有碳纳米管阵列的薄膜，二是构建直
4、径小于 1 纳米的碳纳米管。 2006 年，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的奥基卡巴卡金等人攻克了第一个难题。他们用直径为 1.6 纳米的碳纳米管构建了碳纳米管阵列。然后，将其嵌入陶瓷氮化硅薄膜中。实验之前，他们心里没谱。“我们不能肯定水能通过碳纳米管道，更别说流速很快了。”巴卡金说，“但是，胡默的计算机模型告诉我们，水不仅能通过，而且流速很快。所以，我们决定试试。”“我们在薄膜上方滴了点水，然后让它过夜。我们猜想，薄膜上方的水一定不会移动。不过，第二天早上我们再来看的时候，发现水已经在薄膜下方了。我们当时还是不敢相信。脑子里闪过的第一个念头是薄膜破了。幸运的是，它没有破，薄膜允许水通过。”同时
5、，巴卡金还用实践证明，水能够以高速通过这些薄膜，流速大约是通过宽直径的多孔膜速度的 100 倍。不过，水仅仅能通过碳纳米管道还不够，碳纳米管还要足够窄，才能阻挡离子，用于淡化海水，因为离子能够通过直径超过 1 纳米的碳纳米管。胡默说：“将碳纳米管的直径保持在 1 纳米以内是使其成功应用于淡化海水的关键。”而西澳大利亚大学的本科瑞攻克了另一个难题：构建了直径小于 1 纳米的碳纳米管。他还发现，直径为 0.93 纳米的碳纳米管道可以阻止 95%的离子通过。这样的薄膜结构与目前传统的脱盐半透膜相比，淡化海水的能力提高了 5 倍，平均每天每平方米薄膜可以淡化几万升的海水。目前，科瑞和一些化学家正在改造碳纳米管薄膜。他认为，氮化硅太脆，不宜使用。所以，他们正在尝试将碳纳米管阵列嵌入强性的聚合物里，比如目前在淡化海水中使用的聚碳酸酯。胡默希望这种尝试会有所收获。“这是一个飞速发展的领域。”他说，“我相信这种碳纳米管薄膜很快就可以被制造出来。在水资源日益匮乏的时代，利用碳纳米管薄膜淡化海水意义重大。”
