在2015年的全球风险报告中，世界经济论坛将水危机排至影响风险的首位，影响风险超过了大规模杀伤性武器，州际冲突和传染性疾病传播。

人们对淡水资源的依赖性有据可查，在2015年联合国世界水资源发展报告中，未来十五年的全球水需求与水供应之间存在40%的短缺。

       农业对水的需求量最大，世界上90%的最不发达国家和地区，可用水和人类健康、食品生产都存在着明显的关联。

低成本的水需求

       许多存在严重水资源短缺的地区都依靠海水淡化来进行淡水的供应。海水淡化的技术包括反渗透，但是海水淡化处理的水十分昂贵。图片来源：Shutterstock/AsafEliason

       加利福尼亚州卡尔斯巴德的海水淡化厂作为最大的海水淡化处理厂，一天供水50加仑，其中7%的饮用水供给圣地亚哥地区，但这会消耗能量约750 mw /天。大多数反渗透站的能源消耗超过水生产成本的50%。

      为了解决水压力的问题，所有的水处理技术都要求精确控制孔隙大小、高度耐污染性和节约能源，即使将现在的生产效率提高10%也不具有重大的意义。

完美的缺陷

       十年前，当人们意识到水中离子和分子的分离都是纳米尺度时，就开始利用纳米技术解决水问题。关于实现水的过滤进行了许多尝试，但普遍的水过滤产品尺寸较小，这让我一度怀疑将纳米技术用于水净化领域的前景。

       幸运的是，近来石墨烯在各种领域包括水净化领域进行不断的发展。诺贝尔奖得主Andrei Geim和Rahul Nair指出，虽然在电子领域，缺陷是需要避免的，但是在水净化领域，石墨烯的缺陷可以实现除了水蒸气之外的高度不透水性。虽然精确控制孔的大小十分困难，但很多人都尝试将石墨烯应用于水净化领域。

在石墨烯上打孔

      田纳西州橡树岭国家实验室(ORNL)的研究人员利用新技术制造纳米多孔石墨烯膜，该石墨烯膜是在单层石墨烯上制备纳米孔。该技术通过化学沉积法（CVD），在氧等离子体上生长石墨烯，并将一些碳原子从晶格中拔出，来创建孔洞。与氧等离子体接触的时间越长，石墨烯的孔越大。

       如图所示，红色为石墨烯(蜂窝结构放大圆圈)，黄色为硅原子，橙色的补丁为残余聚合物。图片来源：美国橡树岭国家实验室能源部。

       麻省理工大学（MIT）的研究人员采用另一种方法，将镓离子束轰击石墨烯表面来制备孔洞，然后通过腐蚀精确控制孔隙的大小。类似地，宾夕法尼亚州立大学的研究人员也利用该方法，通过缺陷进行水的运输。

       但问题是，这些技术都处于早期阶段，目前来说，生产具有大面积缺陷的石墨烯还不太可能。

过滤中存在的小孔

       膜的使用可能是解决水净化问题最简单的方法，但防止膜中污垢的存在比较困难。现实中，水含有多种污染物，其中微乳剂油特别容易污染膜，必须使用酸或碱清洗膜，甚至将膜清洗到全新的程度才可以使用。

       英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)最近推出了价值£4600000的下一代持久性“永久”膜工程。包括青石全球科技，庄信万丰，赢创，葛兰素史克，英国石油(BP)，盎格鲁用水，赛文特伦特用水，泰晤士水务公司和苏格兰水务在内的若干家公司，与曼彻斯特大学联合研发石墨烯材料。

向自然学习

       石墨烯薄膜也可以应用于水净化领域。南卡罗莱纳大学的Miao Yu 和Hang Li模仿鱼鳞的功能和结构，制备出完全可恢复的高流量抗污油/水分离膜。

模拟覆盖鱼鳞表面稀薄黏液层的超薄涂层，并结合石墨烯的波片结构和膜的内在粗糙度，成功地再现了鱼鳞的粗糙分层结构。

       膜性能评估测试表明，通过水冲洗膜表面，膜的恢复程度达到100%，与传统膜相比，其纯水通量率(膜传输的水量)提高了两个数量级。这是由于石墨烯片之间存在间距，从而允许水分子利用纳米毛细管作用通过，阻隔了污染物。

       根据石墨烯水处理膜技术，公司将其商业化应用，预计将直接为海水淡化技术带来高达90%的节能率。另外，这项技术的膜生产过程较为简单，即将石墨烯片直接沉积在现有的过滤材料上。

避免重塑

       从商业角度来看，将石墨烯涂层应用于现有的过滤介质很有意义。但是科学家们常常按照第一原理，试图重塑材料，这可能会导致产品的研制时间出现延误。

现在的最成功的科技产品（如iPod或Uber）的开发没有进行基础数据的重塑。直接利用现有的技术基础设施，可以更快的占领产品市场。

       虽然开发出健全、低成本、高效的石墨烯过滤系统还有许多路要走，但是基于石墨烯可以进行水的传输，我们别无选择。也许未来我们可以转变思路，找到其他解决日益严重水危机的办法。