全康環(huán)保:淡水是人類(lèi)和其他生命賴(lài)以生存的最寶貴的資源之一，但由于人口增長(cháng)，氣候變化，和水污染，它的可用性越來(lái)越低。盡管有豐富的海水作為替代水資源，海水淡化通常受到生產(chǎn)率低、能耗相對高的限制。膜基海水淡化技術(shù)包括最先進(jìn)的反滲透(RO)技術(shù)，已被證明比熱脫鹽方法更有效。傳統的聚合反滲透膜仍然存在這樣的缺陷，如污垢阻力低，選擇性差，抗污穩定性低，抗化學(xué)/熱降解差。因此，尋找和探索具有更好的滲透性，選擇性，化學(xué)穩定性，并能同時(shí)抗污的新材料一直是科學(xué)家們不斷努力的方向。新型三種類(lèi)型膜在解決水滲透性和選擇性的問(wèn)題上已顯示出巨大的潛力，它們是超薄的納米孔膜，如多孔石墨烯、人工水膜通道，如碳納米管(CNTs)和層堆疊帶有二維水通道的膜，包括氧化石墨烯(GO)和二硫化鉬。

理論上，原子厚度的膜可以導致很高透水率，由于水通量與膜厚度成反比關(guān)系，在這些材料中，石墨烯材料表現出耐污性、耐降解性、超高機械性能、抗撕裂的強度，可調的小孔隙尺寸，可調的滲透率，化學(xué)穩定性和可伸縮的合成方法，這可能會(huì )帶來(lái)具有成本效益的生產(chǎn)。由于這些優(yōu)勢，石墨烯基膜被認為是用于下一代海水淡化系統很有前景的候選者。然而，納米多孔石墨烯在海水中的應用仍處于研究階段，由于很難在單層上鉆取半徑均小于0.45 nm的無(wú)缺陷亞納米孔而脫鹽。造成這種情況的主要原因是需要均勻的亞納米級孔徑的孔隙分布，這決定了孔徑的大小對納米多孔石墨烯的選擇性，對其提出了嚴峻的挑戰，納米孔膜的制備是關(guān)鍵因素，這阻礙了多孔石墨烯膜技術(shù)的大規模應用。但眾多分離膜仍存在滲透性與脫鹽率的矛盾問(wèn)題，即要想達到高脫鹽率，往往要犧牲水滲透性，難以實(shí)現兩全其美，這個(gè)問(wèn)題也一直困擾著(zhù)科學(xué)家們。

膜的選擇性依賴(lài)于膜的滲透性和選擇性之間的矛盾，決定了膜分離技術(shù)的發(fā)展。近日，江蘇大學(xué)和美國加州大學(xué)伯克利分校等單位的研究人員（張忠強、李少凡、丁建寧等）發(fā)現了一個(gè)以前未知的機制，使用有孔的旋轉納米多孔石墨烯膜時(shí)打破了滲透性和選擇性間的矛盾，結果表明，旋轉石墨烯膜具有幾乎100%的鹽排斥率，即使孔隙尺寸大于水合離子，且表面在液體/石墨烯界面滑移，旋轉膜可同時(shí)實(shí)現超選擇性和前所未有的高滲透率。作者提出了“時(shí)間選擇性”的概念，將非傳統選擇性歸結于離子通過(guò)孔的穿透時(shí)間和離子滑過(guò)孔所需的旁路時(shí)間的差異。新發(fā)現的時(shí)間選擇性克服了孔隙大小的限制，提出了一種新的理論，為設計高性能膜奠定了基礎。這項研究工作以“Surface slip on rotating graphene membrane enables the temporal ivity that breaks the permeability-ivity trade-off”為題發(fā)表在頂級期刊《Science Advances》上。

圖1 海水淡化模型示意圖

圖2水通量和脫鹽率受角速度的影響

圖3滑移速度引起的超高鹽阻隔性表征

圖4滑移引起的鹽排斥的軌跡分析

圖5 孔隙率和孔徑對薄膜滲透率和選擇性的影響

圖6 與其他反滲透膜的性能對比

綜上所述，在本研究中作者報道了一個(gè)新的概念，采用滑移誘導的時(shí)間選擇性脫鹽分離機制，打破了滲透性-選擇性矛盾，而沒(méi)有嚴格依賴(lài)于小而均勻的孔隙尺寸。此外，通過(guò)調節孔隙度、膜的厚度和旋轉速度可以獲得所需的滲透率和選擇性。這項工作為設計高效反滲透脫鹽裝置打開(kāi)了一扇新的大門(mén)，引發(fā)了旋轉/剪切膜的理論和實(shí)驗研究的蓬勃發(fā)展，進(jìn)一步革新了下一代海水淡化系統的設計以及水凈化技術(shù)。