由于淡水短缺影響著全世界數(shù)百萬(wàn)人，科學(xué)家和工程師一直在尋找新的方法來(lái)過(guò)濾掉水中不需要的金屬和礦物質(zhì)，同時(shí)保留這些元素以在其他地方重新使用。
電容去離子 (CDI) 是一種由電極材料制成的膜從水中去除金屬離子的技術(shù)，已被證明是一種很有前途的下一代濾水器技術(shù)。芝加哥大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員設(shè)想，如果他們修改電極的分子表面，該技術(shù)可以變得更加高效。
在芝加哥大學(xué)聯(lián)合工作組計(jì)劃的支持下，三名研究人員研究了改變這些表面的最佳方法。芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院分子工程皇冠家族教授、阿貢大學(xué)首席水策略師陳俊紅與阿貢大學(xué)的兩位同事：科學(xué)家Maria Chan和高級(jí)物理學(xué)家Chris Benmore合作。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、機(jī)器學(xué)習(xí)和強(qiáng)大的 X 射線，他們開(kāi)發(fā)了一種 CDI 設(shè)備，可以比以前更有效地吸附鉛。
“我們未來(lái)的經(jīng)濟(jì)和國(guó)家安全確實(shí)取決于清潔水的供應(yīng)，”陳說(shuō)。“真正解決這一水挑戰(zhàn)的唯一方法是研究水的再利用。這可能會(huì)推動(dòng)對(duì)清潔能源應(yīng)用很重要的資源的回收，并使我們的社會(huì)走向循環(huán)經(jīng)濟(jì)。”
尋找最佳功能分子組
創(chuàng)建這樣一個(gè)裝置可能會(huì)產(chǎn)生廣泛的影響。它可以幫助去除水中的鉛以創(chuàng)造更安全的飲用水，它可以通過(guò)從供水中捕獲磷和鋰來(lái)幫助水的再利用，然后釋放磷用于肥料和鋰用于清潔能源技術(shù)。
目前的技術(shù)沒(méi)有能力選擇性地分離水中微量的不同離子，或者只能以高成本這樣做。雖然有些技術(shù)可以分離金屬，但它們不能完全區(qū)分一種金屬離子和另一種金屬離子。這很重要，因?yàn)殡m然鉛應(yīng)該從飲用水中去除，但另一種金屬鈣應(yīng)該留在水中，因?yàn)樗鼘?duì)人體健康有益。
通過(guò)在電極中使用氧化石墨烯等碳材料，CDI 有望去除選定的金屬離子。為了改進(jìn)這些設(shè)備，UChicago-Argonne 團(tuán)隊(duì)需要更好地了解設(shè)備電極表面分子和離子之間的相互作用。
通過(guò)建模和機(jī)器學(xué)習(xí)，Chan 和她的團(tuán)隊(duì)致力于了解改變電極表面上的功能性分子團(tuán)（具有自身特征的特定原子團(tuán)）將如何影響金屬離子的選擇性和去除。
“使用計(jì)算機(jī)模型，我們可以在分子水平上理解和選擇功能組。使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型，我們可以將搜索范圍擴(kuò)大到許多可能可行的不同分子，”Chan 說(shuō)。
該團(tuán)隊(duì)最終發(fā)現(xiàn)了可以附著在氧化石墨烯上并選擇性地從水中吸附不同類型離子的官能團(tuán)。他們的預(yù)測(cè)得到了 Chen 的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，表明該設(shè)備可以使用這些新功能組更有效地去除水中的鉛。
在阿貢，Benmore 使用強(qiáng)大的高級(jí)光子源（一種高能 X 射線）來(lái)了解水樣中鉛的結(jié)構(gòu)，并更好地了解 CDI 與鉛之間的相互作用。“這些都是基于 80 年代所做的實(shí)驗(yàn)，從那以后沒(méi)有人真正研究過(guò)水中的離子，所以我們真的能夠接受很多非常古老但重要的工作，并真正應(yīng)用新方法來(lái)解決它，”他說(shuō)。
接下來(lái)，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用其他金屬離子（包括鋰和鈷）測(cè)試其設(shè)備。該項(xiàng)目受益于UChicago Joint Task Force Initiative的早期資助，該項(xiàng)目通過(guò)打開(kāi)機(jī)構(gòu)間頻繁溝通和協(xié)作的渠道幫助阿貢和費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室取得任務(wù)成功。
“UChicago Joint Task Force Initiative 的支持對(duì)這個(gè)研究項(xiàng)目至關(guān)重要，”Chen 說(shuō)。“我認(rèn)為這個(gè)項(xiàng)目促進(jìn)了 UChicago 和 Argonne 研究人員之間的合作，這確實(shí)非常有影響力，因?yàn)槲覀儗檫@個(gè)項(xiàng)目以及未來(lái)的項(xiàng)目共同努力。”
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
