Физика в нашей жизни, страница 187 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Физика в нашей жизни

Графеновый фильтр для очистки и опреснения воды

Ряд ученых для изготовления фильтров быстро очищающих воду предполагают использовать графен. Преимущество графеновой мембраны состоит в том, что ее толщина будет порядка 0,3 нм, что позволит ускорить процесс очистки воды. Кроме того, она позволит опреснить морскую воду. Таким образом, графеновый фильтр – незаменимый атрибут в походных условиях и в морских путешествиях.

Но на пути к широкому применению таких высокотехнологических мембран стоит одно значительное препятствие тонкий материал может порваться, а через образовавшиеся разрывы проникнуть загрязнители. Инженерами Массачусетского технологического института был найден способ восстанавливать разрывы, заполняя их полимерами в результате химического осаждения, но этот метод пока эффективен в лабораторных условиях при постоянном контроле за процессом очистки и состоянием мембраны.

Инженеры из Университета Вашингтона в Сент-Луисе разработали биопленку, состоящую из целлюлозы и оксида графена (рис. 166). Покрыв грязные или соленые водоемы, пленка впитывает в себя воду, как губка, и затем испаряется в верхнем слое под воздействием солнечных лучей, оставляя соли и примеси в фильтре – нижнем слое пленки. Для уничтожения бактерий в биопленку инженеры решили включить кроме графена другие наноструктурные материалы. Продолжается работа над улучшением качества пленки для производства безопасной питьевой воды из любого загрязненного источника.

Рис. 166. Биопленка с содержанием графена для очистки и опреснения воды

Из истории развития нанотехнологии

1974 г. Японский физик Норио Танигучи ввел термин «нанотехнология», предложив описывать им механизмы размером менее одного микрона.

1981 г. Немецкими физиками Гердом Бинниг и Генрихом Рорером был создан сканирующий туннельный микроскоп (СТМ), который позволил манипулировать веществом на атомарном уровне.

1985 г. Открыт новый класс соединений – фуллерены, за что американский химик Роберт Керл, британский химик Харольд Крото и американский физик Ричард Смолли получили Нобелевскую премию в 1986 г.

1986 г. Сканирующий атомно-силовой (АСМ) микроскоп расширил типы исследуемых материалов.

1988 г. Французский и немецкий ученые Альберт Ферт и Петер Грюнберг открыли эффект гигантского магнетосопротивления, после чего магнитные нанопленки и нанопровода стали использоваться для создания устройств магнитной записи

1991 г. Японский исследователь Сумио Иидзима открыл углеродные нанотрубки.

1998 г. Голландский физик Сиз Деккер создал првый транзистор на основе нанотрубок.

2004 г. Сиз Деккер соединил углеродную нанотрубку с ДНК, заложил основу для начала развития бионанотехнологии.

2004 г. Российские физики: подданный Нидерландов А.К. Гейм и британский подданный К.С. Новоселов открыли новый материал графен, за исследования свойств которого получили Нобелевскую премию в 2010 г.

Ответьте на вопрос

Как, на ваш взгляд, могли бы измениться технологии очистки и опреснения воды в том случае, если бы процесс производства графеновых мембран стал бы максимально простым?

Если бы процесс производства графеновых мембран стал максимально простым, это привело бы к революционным изменениям в технологиях очистки и опреснения воды. Простота производства означает не только низкую стоимость, но и массовую доступность, а также, вероятно, решение проблемы хрупкости материала, которая, согласно тексту, является главным препятствием для широкого применения.

Во-первых, это привело бы к повсеместному распространению высокоэффективных персональных и бытовых фильтров. Устройства, которые сейчас описываются как «незаменимый атрибут в походных условиях и в морских путешествиях», стали бы доступны каждому. Это позволило бы обеспечить безопасной питьевой водой миллионы людей в регионах, где отсутствует централизованное водоснабжение или вода сильно загрязнена. Можно было бы создавать простые устройства, работающие по принципу, описанному в тексте (испарение под действием солнечных лучей), но гораздо более эффективные и долговечные.

Во-вторых, кардинально изменилась бы индустрия опреснения морской воды. Графеновые мембраны, благодаря своей толщине порядка $0,3$ нм, способны пропускать молекулы воды, задерживая ионы солей, при значительно меньших энергозатратах по сравнению с традиционными методами, такими как обратный осмос. Дешевое и массовое производство таких мембран позволило бы строить крупные опреснительные заводы по всему миру, решая проблему дефицита пресной воды для сельского хозяйства, промышленности и бытовых нужд в засушливых и прибрежных регионах.

В-третьих, промышленные и городские системы водоочистки стали бы на порядок эффективнее. Графеновые фильтры способны задерживать не только соли и механические примеси, но и бактерии, вирусы и мельчайшие химические загрязнители. Это позволило бы не только улучшить качество питьевой воды, но и более эффективно очищать сточные воды перед их сбросом в окружающую среду, что положительно сказалось бы на экологии.

Таким образом, переход от сложных лабораторных методов к простому массовому производству превратил бы графеновые мембраны из перспективной нанотехнологии в фундаментальный инструмент для решения одной из глобальных проблем человечества, обеспечив всеобщий доступ к чистой воде.

Ответ: В случае максимального упрощения производства графеновых мембран технологии очистки и опреснения воды стали бы значительно более дешёвыми, энергоэффективными и общедоступными. Это привело бы к появлению массовых персональных фильтров, способных сделать безопасной воду из любого источника, и к строительству крупных опреснительных станций, решающих проблему дефицита пресной воды в глобальном масштабе. Качество очистки воды на муниципальном и промышленном уровнях также бы возросло, что улучшило бы общественное здоровье и экологическую обстановку.