น้ำทะเลดื่มได้แล้วด้วยแผ่นกรองกราฟีน

กราฟีน,น้ำทะเล,น้ำดื่ม,น้ำทะเลดื่มได้, Image copyright UNI MANCHESTER
คำบรรยายภาพ (ภาพจากฝีมือศิลปิน) แผ่นกรองจากกราฟีนมีศักยภาพสูงในการทำน้ำทะเลให้จืดจนดื่มได้

ปัญหาขาดแคลนน้ำจืดและน้ำดื่มสะอาดที่ประชากรโลกหลายล้านคนกำลังเผชิญอยู่ อาจหมดไปในอนาคตอันใกล้นี้ หลังนักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ของสหราชอาณาจักรแถลงว่า สามารถพัฒนาวัสดุมหัศจรรย์ "กราฟีน" ให้เป็นตัวกรองเอาเกลือออกจากน้ำทะเลได้สำเร็จแล้ว โดยแผ่นกรองทำน้ำจืดจากกราฟีนชนิดนี้ผลิตได้ง่ายในปริมาณมาก ทั้งมีต้นทุนการผลิตต่ำลง เพิ่มโอกาสในการทำน้ำทะเลให้เป็นน้ำจืดได้ในระดับอุตสาหกรรม

มีการเผยแพร่ผลงานดังกล่าวลงในวารสาร Nature Nanotechnology โดย ดร.ราหุล แนร์ ผู้นำการวิจัยระบุว่า ได้สังเคราะห์สารเคมีอนุพันธ์ที่เรียกว่ากราฟีนอ็อกไซด์มาใช้เป็นแผ่นกรองน้ำเค็ม แทนที่จะใช้กราฟีนบริสุทธิ์ เนื่องจากผลิตได้ง่ายกว่าในห้องทดลอง แต่กราฟีนอ็อกไซด์ยังคงโครงสร้างคาร์บอนที่จับกันเป็นรูปหกเหลี่ยมและมีความหนาเพียงอะตอมเดียวเหมือนกับกราฟีนแบบดั้งเดิม โดยรูพรุนรูปหกเหลี่ยมในกราฟีนอ็อกไซด์นี้จะมีขนาดไม่เกิน 1 นาโนเมตร ซึ่งจะยอมให้โมเลกุลของน้ำที่มีขนาดใกล้เคียงกันผ่านไปได้ แต่โมเลกุลของเกลือหรือโซเดียมคลอไรด์ในน้ำเค็ม ที่มักถูกล้อมรอบไปด้วยโมเลกุลของน้ำอีกชั้นหนึ่งนั้น จะไม่สามารถผ่านไปได้

Image copyright EPA
คำบรรยายภาพ ปัญหาการเข้าถึงน้ำสะอาดยังคงมีอยู่ในหมู่ประชากรหลายล้านคนทั่วโลก

ก่อนหน้านี้ มีการทดลองใช้กราฟีนอ็อกไซด์กรองคัดแยกอนุภาคระดับนาโนและโมเลกุลของสารอินทรีย์มาแล้ว แต่ยังไม่สามารถกรองโมเลกุลของเกลือขนาดทั่วไปและขนาดเล็กได้ เนื่องจากแผ่นกรองมักจะพองตัวขึ้นเล็กน้อยเมื่อเปียกน้ำ ทำให้โมเลกุลเกลือขนาดเล็กลอดผ่านไปได้ อย่างไรก็ตาม ทีมวิจัยได้แก้ไขปัญหาดังกล่าวด้วยการใช้สารอีพ็อกซีเรซินซึ่งปกติใช้ในกาวและสารเคลือบแข็ง มาเคลือบแผ่นกราฟีนอ็อกไซด์ไว้ทั้งสองด้าน ทำให้สามารถควบคุมขนาดรูพรุนในวัสดุกรองให้เล็กตามต้องการได้

ดร.แนร์ ยังบอกว่า การที่รูพรุนในกราฟีนอ็อกไซด์มีขนาดราว 1 นาโนเมตร ยังทำให้กรองน้ำได้รวดเร็วขึ้นอีกด้วย โดยพันธะไฮโดรเจนจะทำให้โมเลกุลของน้ำไหลติดต่อกันเป็นสายผ่านรูพรุนของวัสดุกรองไปอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่พบได้เมื่อช่องผ่านของน้ำมีขนาดเล็กมากเท่านั้น

Image copyright PHOTOSTOCK-ISRAEL/SCIENCE PHOTO LIBRARY
คำบรรยายภาพ นักวิจัยมีแผนจะทดสอบแผ่นกรองกราฟีนอ็อกไซด์ โดยเทียบกับเยื่อกรองพอลิเมอร์ที่โรงงานอุตสาหกรรมใช้ทำน้ำเค็มเป็นน้ำจืด

อย่างไรก็ตาม ผู้เชี่ยวชาญมองว่าทีมวิจัยยังต้องพัฒนาวัสดุกรองจากกราฟีนอ็อกไซด์นี้ต่อไปอีก โดยเทียบวัดประสิทธิภาพในการกรองน้ำเค็มให้เป็นน้ำจืดกับเยื่อพอลิเมอร์ ซึ่งเป็นวัสดุกรองที่ใช้กันอยู่ในการผลิตน้ำจืดระดับอุตสาหกรรมทุกวันนี้ รวมทั้งต้องทดสอบให้แน่ใจว่า แผ่นกรองสามารถต้านทานความสกปรกปนเปื้อนจากวัสดุชีวภาพในน้ำ จนไม่ต้องทำความสะอาดหรือเปลี่ยนบ่อยครั้งจนเกินไป

ทั้งนี้ การคิดค้นกราฟีนซึ่งเป็นวัสดุมหัศจรรย์แห่งอนาคตมีขึ้นโดยทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์เช่นเดียวกัน และได้รับรางวัลโนเบลจากผลงานนี้ไปเมื่อปี 2010 โดยกราฟีนนั้นมีความแข็งแกร่งกว่าเหล็กถึง 200 เท่า นำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดง โดยผสมกราฟีนเพียง 1% ลงในพลาสติก ก็สามารถทำให้พลาสติกนั้นนำไฟฟ้าได้ ทั้งยังคาดกันว่าจะสามารถนำกราฟีนมาใช้งานทางเทคโนโลยีได้อีกหลายแขนง เช่น ผลิตเครื่องมืออิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง แผงเซลล์สุริยะ แบตเตอรี และอุปกรณ์การแพทย์ที่ฝังในร่างกาย