La Cina dispone di numerose risorse saline, come laghi salati e acqua di mare, e queste salamoie contengono considerevoli elementi strategici come l’uranio e il litio. Lo sviluppo efficiente di queste risorse non solo può migliorare il tasso di autosufficienza delle principali materie prime, ma ha anche un significato importante per la sicurezza strategica nazionale.
Tuttavia, la tecnologia di estrazione tradizionale si trova ad affrontare enormi sfide a causa dei costi elevati, dell’elevato consumo energetico e del grave inquinamento, e necessita urgentemente di innovazione tecnologica. Al contrario, la tecnologia di separazione a membrana è diventata una potenziale soluzione ai problemi di cui sopra con i suoi vantaggi di elevata selettività, basso impatto ambientale e basso consumo energetico.
Il cuore della tecnologia di separazione a membrana risiede nella ricerca e nello sviluppo di membrane di separazione. Tuttavia, le membrane di separazione tradizionali si basano principalmente sullo screening della dimensione dei pori, il che rende difficile ottenere la separazione di ioni idrati di dimensioni simili.
Essendo una membrana di separazione emergente, le membrane bidimensionali hanno un grande potenziale di applicazione nel campo della separazione ionica e molecolare grazie alla loro spaziatura interstrato controllabile e alle singole unità atomiche facilmente funzionalizzabili.
Tuttavia, lo spazio di trasferimento di massa tra gli strati delle membrane bidimensionali è troppo piccolo (a livello sub-nanometrico) e la realizzazione di un controllo preciso dei pori sub-nanometrici e di una modifica funzionale deve ancora affrontare enormi sfide.
Sulla base di quanto sopra, il team del professor Chen Ximeng e del ricercatore Li Zhan del Rare Isotope Frontier Science Center del Ministero dell'Istruzione dell'Università di Lanzhou ha proposto una serie di strategie per il controllo delle dimensioni e la modifica funzionale dei canali di trasferimento di massa della membrana bidimensionale, e ha compiuto importanti progressi nel campo dell'identificazione accurata e della separazione efficiente dell'uranio e del litio in sistemi complessi di salamoia. Questi risultati non solo forniscono nuove tecnologie per l’estrazione di risorse strategiche di uranio e litio, ma promuovono anche la sicurezza energetica globale e la sostenibilità ambientale.
Nuovi progressi nell’estrazione dell’uranio dall’acqua di mare con membrane bioingegnerizzate bidimensionali
Il gruppo di ricerca ha inserito l'Escherichia coli modificato con la proteina legante super uranile (SUP) in uno strato bidimensionale (2D) di MXene (Ti3C2TX) e ha sviluppato una membrana composita multifunzionale bidimensionale con "struttura a libro" attraverso un'auto-tendenza della pressione -processo di assemblaggio, che ha ottenuto un'identificazione accurata e un'efficiente separazione degli ioni uranile nell'acqua di mare.
Il SUP conferisce alla membrana ibrida bioinorganica una selettività ultraelevata per gli ioni uranile, mentre l'Escherichia coli ingegnerizzato migliora la resistenza meccanica e l'economia della membrana. I risultati sperimentali mostrano che la membrana raggiunge un'identificazione accurata degli ioni uranile e eccellenti prestazioni di screening degli ioni (SFU/V≈43, SFNa/U≈158).
Le eccellenti prestazioni di separazione e i test di stabilità ciclica dimostrano il potenziale di applicazione industriale della membrana. Questo risultato della ricerca è stato pubblicato sulla famosa rivista Nano Letters dell'American Chemical Society nel novembre 2024, intitolato "Membrane MXene bio-inorganiche stratificate: un approccio verde per l'estrazione dell'uranio dall'acqua di mare utilizzando E. coli geneticamente modificato". Lo studente master Mao Xiaonan è il primo autore dell'articolo, e Li Zhan, ricercatore presso il Frontier Science Center of Rare Isotopes dell'Università di Lanzhou, e Tian Longlong, un giovane ricercatore, sono gli autori corrispondenti dell'articolo.
La membrana composita multifunzionale bidimensionale aiuta la nuova tecnologia per l'estrazione del litio dai laghi salati
Il team di ricerca ha utilizzato l’effetto sinergico tra i metalli per sviluppare un nuovo tipo di membrana composita a struttura organica bimetallica (MOF)/ossido di grafene (GO) tra gli strati di ossido di grafene. Cioè, 2-metilimidazolo viene introdotto nello strato intermedio di ossido di grafene a temperatura ambiente, quindi Zn2+ e Co2+ vengono catturati da nanofogli di ossido di grafene e formano forti legami di coordinazione con i ligandi di imidazolo , realizzando la sintesi in situ di ZIF-8 e ZIF-67 nell'interstrato di ossido di grafene.
Questo lavoro chiarisce principalmente la nuova strategia di sintesi di canali laterali eterogenei attraverso la strategia di scambio ionico nello spazio sub-nano bidimensionale e la utilizza per l'estrazione del litio da veri laghi salati, e il suo fattore di separazione per litio e magnesio può raggiungere 191. Questa membrana innovativa Il materiale non solo migliora la capacità di estrazione del litio, ma supera anche molte carenze delle tecnologie esistenti, fornendo una soluzione di zinco per l’estrazione sostenibile delle risorse di litio dai laghi salati.
Questo risultato della ricerca è stato pubblicato sulla rivista Nano Letters dell'American Chemical Society con il titolo "2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines". Yuan Furong, uno studente di master formato congiuntamente dall'Università di Lanzhou e dall'Istituto Qinghai di Salt Lakes, Accademia cinese delle scienze, è il primo autore dell'articolo, e Peng Jiaoyu, un ricercatore associato presso l'Istituto Qinghai di Salt Lakes, e Li Zhan , ricercatore presso il Frontier Science Center of Rare Isotopes dell'Università di Lanzhou, sono autori co-corrispondenti.
Inoltre, il gruppo di ricerca ha anche progettato un nanofoglio poroso ZnFe2O4/ZnO e lo ha incorporato nel canale interstrato sub-nano regolato da Ag+, formando un'unica struttura di canale eterogeneo bidimensionale.
In questo canale, gli atomi di ossigeno trasportano cariche negative e interagiscono fortemente con gli ioni di magnesio con elevata densità di carica, "bloccando" così accuratamente gli ioni di magnesio, mentre gli ioni di litio possono passare rapidamente. Questo meccanismo è diverso dal tradizionale meccanismo di repulsione della carica superficiale, che si basa solo sull'effetto di repulsione della carica sulla superficie della membrana, mentre il meccanismo di bloccaggio della carica ha una selettività più elevata ottenendo una cattura ionica precisa nella struttura interstrato.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Advanced Science con il titolo "Fine-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine". Il dottorando Hao Yaxin è il primo autore dell'articolo, e il ricercatore Li Zhan del Rare Isotope Frontier Science Center dell'Università di Lanzhou è l'autore corrispondente dell'articolo.
Il professor Chen Ximeng e il professor Wu Wangsuo hanno fornito importanti suggerimenti di miglioramento per il lavoro di cui sopra. Il lavoro di cui sopra è stato condotto dal Rare Isotope Frontier Science Center dell’Università di Lanzhou, e l’Istituto Qinghai dei laghi salati dell’Accademia cinese delle scienze e l’Università delle nazionalità del Qinghai hanno fornito un forte sostegno a questo lavoro. Il lavoro di ricerca di cui sopra è stato finanziato dal Programma nazionale di ricerca e sviluppo chiave, dalla Fondazione nazionale cinese per le scienze naturali e dal progetto trasversale sulle spese aziendali per la ricerca di base dell'Università centrale di Lanzhou.
[Link articolo]
Nanolettere: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709
Nano lettere: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040
Scienza avanzata: https://doi.org/10.1002/advs.202406535