Китай має численні ресурси розсолу, такі як солоні озера та морська вода, і ці розсоли містять значні стратегічні елементи, такі як уран і літій. Ефективне освоєння цих ресурсів може не тільки підвищити рівень самозабезпеченості ключовою сировиною, але й має важливе значення для національної стратегічної безпеки.
Однак традиційна технологія видобутку стикається з величезними проблемами через високу вартість, високе споживання енергії та серйозне забруднення, і терміново потребує технологічних інновацій. Навпаки, технологія мембранного розділення стала потенційним рішенням вищезазначених проблем завдяки своїм перевагам у високій селективності, низькому впливі на навколишнє середовище та низькому споживанні енергії.
Основою технології мембранного розділення є дослідження та розробка розділових мембран. Однак традиційні розділові мембрани в основному покладаються на скринінг розміру пор, що ускладнює розділення гідратованих іонів однакового розміру.
Як нова роздільна мембрана, двовимірні мембрани мають великий потенціал застосування в області іонного та молекулярного розділення завдяки їх контрольованому міжшаровому інтервалу та легким функціональним одиночним атомним одиницям.
Однак міжшаровий простір масообміну двовимірних мембран занадто малий (субнанометровий рівень), і реалізація субнанометрового точного контролю пор і функціональної модифікації все ще стикається з величезними проблемами.
Грунтуючись на наведеному вище, команда професора Чень Сіменга та дослідника Лі Чжаня з Наукового центру рідкісних ізотопів Міністерства освіти Університету Ланьчжоу запропонувала серію стратегій контролю розміру та функціональної модифікації двовимірних мембранних каналів масообміну, і досяг значного прогресу в галузі точної ідентифікації та ефективного розділення урану та літію в складних системах розсолу. Ці досягнення не тільки забезпечують нові технології для видобутку стратегічних ресурсів урану та літію, але й сприяють глобальній енергетичній безпеці та екологічній стійкості.
Новий прогрес у видобутку урану з морської води за допомогою двовимірних біоінженерних мембран
Дослідницька група вставила Escherichia coli, модифіковану суперуранілзв’язуючим білком (SUP), у двовимірний (2D) шар MXene (Ti3C2TX) і розробила двовимірну багатофункціональну композитну мембрану «книгоподібної структури» за допомогою саморегуляції тиску. -процес складання, який досягає точної ідентифікації та ефективного відділення іонів уранілу в морській воді.
SUP надає біонеорганічній гібридній мембрані надвисоку селективність до іонів уранілу, тоді як сконструйована Escherichia coli покращує механічну міцність та економічність мембрани. Експериментальні результати показують, що мембрана забезпечує точну ідентифікацію іонів уранілу та чудову ефективність скринінгу іонів (SFU/V≈43, SFNa/U≈158).
Чудова продуктивність розділення та циклічні тести на стабільність доводять потенціал промислового застосування мембрани. Результати цього дослідження були опубліковані у відомому журналі Nano Letters Американського хімічного товариства в листопаді 2024 року під назвою «Шаруваті біо-неорганічні MXene мембрани: зелений підхід до вилучення урану з морської води за допомогою генетично модифікованої E. coli». Студент-магістр Мао Сяонань є першим автором статті, а Лі Чжань, науковий співробітник Прикордонного наукового центру рідкісних ізотопів Університету Ланьчжоу, і Тянь Лонлун, молодий дослідник, є співавторами статті.
Двовимірна багатофункціональна композитна мембрана допомагає новій технології вилучення літію з солоних озер
Дослідницька група використала синергічний ефект між металами, щоб розробити новий тип композитної мембрани біметалічного органічного каркасу (MOF)/оксиду графену (GO) між шарами оксиду графену. Тобто 2-метилімідазол вводиться в проміжний шар оксиду графену при кімнатній температурі, а потім Zn2+ і Co2+ захоплюються нанолистами оксиду графену та утворюють міцні координаційні зв’язки з імідазольними лігандами , реалізуючи in-situ синтез ZIF-8 та ZIF-67 у прошарку графену оксид.
Ця робота в основному пояснює нову стратегію синтезу бічних гетерогенних каналів за допомогою стратегії іонообміну в двовимірному субнанопросторі та використовує її для вилучення літію з реальних солоних озер, а її коефіцієнт розділення для літію та магнію може досягати 191. Ця інноваційна мембрана матеріал не тільки підвищує здатність до вилучення літію, але й усуває багато недоліків існуючих технологій, забезпечуючи цинковий розчин для сталий видобуток ресурсів літію з солоних озер.
Результати цього дослідження були опубліковані в журналі Американського хімічного товариства Nano Letters під назвою «2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines». Юань Фурон, студент магістратури, який навчався спільно в Університеті Ланьчжоу та Цінхайському інституті солоних озер Китайської академії наук, є першим автором статті, а також Пен Цзяоюй, асоційований науковий співробітник Цінхайського інституту солоних озер, і Лі Чжань , дослідник Прикордонного наукового центру рідкісних ізотопів Університету Ланьчжоу, є співавторами.
Крім того, дослідницька група також розробила пористий нанолист ZnFe2O4/ZnO та вставила його в субнанопрошаровий канал, який регулюється Ag+, утворюючи унікальну двовимірну гетерогенну структуру каналу.
У цьому каналі атоми кисню несуть негативні заряди і сильно взаємодіють з іонами магнію з високою щільністю заряду, тим самим точно «блокуючи» іони магнію, тоді як іони літію можуть швидко проходити. Цей механізм відрізняється від традиційного механізму відштовхування поверхневого заряду, який покладається лише на ефект відштовхування заряду на поверхні мембрани, тоді як механізм блокування заряду має вищу селективність завдяки досягненню точного захоплення іонів у міжшаровій структурі.
Результати дослідження були опубліковані в журналі Advanced Science під назвою «Fine-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine». Докторант Хао Ясінь є першим автором статті, а дослідник Лі Чжань з Наукового центру рідкісних ізотопів Університету Ланьчжоу є відповідним автором статті.
Професор Chen Ximeng і професор Wu Wangsuo надали важливі пропозиції щодо вдосконалення вищезазначеної роботи. Вищевказану роботу проводив Науковий центр рідкісних ізотопів Університету Ланьчжоу, а Цинхайський інститут солоних озер Китайської академії наук і Цінхайський національний університет надали серйозну підтримку цій роботі. Вищезазначена дослідницька робота була профінансована Національною ключовою програмою досліджень і розробок, Національним фондом природничих наук Китаю та міжкомандним проектом базових досліджень центрального університету Ланьчжоу.
[Посилання на статтю]
Nano Letters: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709
Nano Letters: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040
Advanced Science: https://doi.org/10.1002/advs.202406535