Čína má četné zdroje solanky, jako jsou slaná jezera a mořská voda, a tyto solanky obsahují značné strategické prvky, jako je uran a lithium. Efektivní rozvoj těchto zdrojů může nejen zlepšit míru soběstačnosti klíčových surovin, ale má také významný význam pro národní strategickou bezpečnost.
Tradiční technologie těžby však čelí obrovským výzvám kvůli vysokým nákladům, vysoké spotřebě energie a vážnému znečištění a naléhavě potřebuje technologické inovace. Na rozdíl od toho se technologie membránové separace stala potenciálním řešením výše uvedených problémů se svými výhodami vysoké selektivity, nízkého dopadu na životní prostředí a nízké spotřeby energie.
Jádro membránové separační technologie spočívá ve výzkumu a vývoji separačních membrán. Tradiční separační membrány však spoléhají hlavně na screening velikosti pórů, což ztěžuje dosažení separace hydratovaných iontů podobné velikosti.
Jako vznikající separační membrána mají dvourozměrné membrány velký aplikační potenciál v oblasti iontové a molekulární separace díky jejich ovladatelnému rozestupu mezi vrstvami a snadno funkcionalizovaným jednotkovým atomovým jednotkám.
Prostor pro přenos hmoty mezi vrstvami dvourozměrných membrán je však příliš malý (úroveň subnanometrů) a realizace přesného řízení pórů pod nanometry a funkční modifikace stále čelí velkým výzvám.
Na základě výše uvedených skutečností navrhli profesor Chen Ximeng a tým výzkumníka Li Zhana z Centra vědy o vzácných izotopech Ministerstva školství Univerzity Lanzhou řadu strategií pro kontrolu velikosti a funkční modifikaci dvourozměrných membránových kanálů pro přenos hmoty, a dosáhla významného pokroku v oblasti přesné identifikace a účinné separace uranu a lithia v komplexních solankových systémech. Tyto úspěchy poskytují nejen nové technologie pro těžbu strategických zdrojů uranu a lithia, ale také podporují globální energetickou bezpečnost a udržitelnost životního prostředí.
Nový pokrok v extrakci uranu z mořské vody pomocí dvourozměrných bioinženýrských membrán
Výzkumný tým vložil Escherichia coli modifikovanou proteinem vázajícím superuranyl (SUP) do dvourozměrné (2D) vrstvy MXene (Ti3C2TX) a vyvinul dvourozměrnou multifunkční kompozitní membránu „podobné knize“ prostřednictvím tlakově trendové samo -proces montáže, který dosáhl přesné identifikace a účinné separace uranylových iontů v mořské vodě.
SUP dává bio-anorganické hybridní membráně ultra vysokou selektivitu pro uranylové ionty, zatímco umělá Escherichia coli zlepšuje mechanickou pevnost a hospodárnost membrány. Experimentální výsledky ukazují, že membrána dosahuje přesné identifikace uranylových iontů a vynikajícího iontového screeningu (SFU/V≈43, SFNa/U≈158).
Vynikající separační výkon a testy cyklické stability dokazují průmyslový aplikační potenciál membrány. Tento výsledek výzkumu byl publikován ve slavném časopise Nano Letters of the American Chemical Society v listopadu 2024 s názvem „Layered Bio-Anorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater using Genetically Modified E. coli“. Magisterský student Mao Xiaonan je prvním autorem článku a Li Zhan, výzkumník z Frontier Science Center vzácných izotopů univerzity Lanzhou, a Tian Longlong, mladý výzkumník, jsou spoluodpovídajícími autory článku.
Dvourozměrná multifunkční kompozitní membrána pomáhá nové technologii pro extrakci lithia ze solných jezer
Výzkumný tým využil synergického efektu mezi kovy k vývoji nového typu kompozitní membrány bimetalické organické kostry (MOF)/oxid grafenu (GO) mezi vrstvami oxidu grafenu. To znamená, že 2-methylimidazol je zaveden do mezivrstvy oxidu grafenu při pokojové teplotě a poté jsou Zn2+ a Co2+ zachyceny nanovrstvami oxidu grafenu a tvoří silné koordinační vazby s imidazolovými ligandy , realizující in-situ syntézu ZIF-8 a ZIF-67 v mezivrstvě oxidu grafenu.
Tato práce především objasňuje novou strategii syntézy laterálních heterogenních kanálů prostřednictvím strategie iontové výměny ve dvourozměrném subnano prostoru a využívá ji pro extrakci lithia ze skutečných solných jezer a její separační faktor pro lithium a hořčík může dosáhnout 191. Tato inovativní membrána materiál nejen zvyšuje těžební kapacitu lithia, ale také překonává mnohé nedostatky stávajících technologií a poskytuje zinkové řešení pro udržitelnou těžbu zdrojů lithia ze solných jezer.
Tento výsledek výzkumu byl publikován v časopise American Chemical Society Nano Letters pod názvem „2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Solanky“. Yuan Furong, magisterský student společně vyškolený Lanzhou University a Qinghai Institute of Salt Lakes, Čínská akademie věd, je prvním autorem článku a Peng Jiaoyu, přidružený výzkumný pracovník na Qinghai Institute of Salt Lakes, a Li Zhan , výzkumník z Frontier Science Center vzácných izotopů univerzity Lanzhou, jsou spoluodpovídajícími autory.
Kromě toho výzkumný tým také navrhl porézní nanovrstvu ZnFe2O4/ZnO a vložil ji do sub-nano mezivrstvového kanálu regulovaného Ag+, čímž se vytvořila unikátní dvourozměrná heterogenní kanálová struktura.
V tomto kanálu nesou atomy kyslíku záporné náboje a silně interagují s ionty hořčíku s vysokou hustotou náboje, čímž přesně „uzamykají“ ionty hořčíku, zatímco ionty lithia mohou rychle procházet. Tento mechanismus se liší od tradičního mechanismu odpuzování povrchového náboje, který spoléhá pouze na účinek odpuzování náboje na povrchu membrány, zatímco mechanismus zamykání náboje má vyšší selektivitu díky dosažení přesného zachycení iontů ve struktuře mezivrstvy.
Výsledky výzkumu byly publikovány v Advanced Science pod názvem „Fine-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine“. Doktorand Hao Yaxin je prvním autorem článku a výzkumník Li Zhan z Centra vědy o vzácných izotopech na univerzitě v Lanzhou je odpovídajícím autorem článku.
Profesor Chen Ximeng a profesor Wu Wangsuo poskytli důležité návrhy na zlepšení výše uvedené práce. Výše uvedenou práci vedlo Středisko pro hraniční vědy o vzácných izotopech Univerzity Lanzhou a Institut Salt Lakes Čching-chajské akademie věd a Univerzita národností Čching-chaj poskytly této práci silnou podporu. Výše uvedená výzkumná práce byla financována z programu National Key R&D Program, National Natural Science Foundation of China a Cross-Team Project Business Expenses Business Expenses Central University Lanzhou University.
[odkaz na článek]
Nano Letters: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709
Nano Letters: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040
Pokročilá věda: https://doi.org/10.1002/advs.202406535