Tiongkok memiliki banyak sumber daya air asin seperti danau garam dan air laut, dan air garam ini mengandung banyak unsur strategis seperti uranium dan litium. Pengembangan sumber daya yang efisien tidak hanya dapat meningkatkan tingkat swasembada bahan baku utama, namun juga memiliki arti penting bagi keamanan strategis nasional.
Namun, teknologi ekstraksi tradisional menghadapi tantangan besar karena biayanya yang tinggi, konsumsi energi yang tinggi, dan polusi yang serius, serta sangat membutuhkan inovasi teknologi. Sebaliknya, teknologi pemisahan membran telah menjadi solusi potensial untuk permasalahan di atas dengan keunggulan selektivitas tinggi, dampak lingkungan rendah, dan konsumsi energi rendah.
Inti dari teknologi pemisahan membran terletak pada penelitian dan pengembangan membran pemisahan. Namun, membran pemisahan tradisional terutama mengandalkan penyaringan ukuran pori, sehingga sulit untuk mencapai pemisahan ion terhidrasi dengan ukuran yang sama.
Sebagai membran pemisah yang baru muncul, membran dua dimensi memiliki potensi penerapan yang besar di bidang pemisahan ion dan molekul karena jarak antar lapisannya yang dapat dikontrol dan unit atom tunggal yang mudah difungsikan.
Namun, ruang perpindahan massa antarlapisan membran dua dimensi terlalu kecil (tingkat sub-nanometer), dan realisasi kontrol presisi pori sub-nanometer serta modifikasi fungsional masih menghadapi tantangan besar.
Berdasarkan latar belakang di atas, Profesor Chen Ximeng dan tim Peneliti Li Zhan dari Pusat Sains Perbatasan Isotop Langka Kementerian Pendidikan Universitas Lanzhou mengusulkan serangkaian strategi untuk pengendalian ukuran dan modifikasi fungsional saluran perpindahan massa membran dua dimensi, dan membuat kemajuan penting dalam bidang identifikasi akurat dan pemisahan uranium dan litium yang efisien dalam sistem air garam yang kompleks. Pencapaian ini tidak hanya menyediakan teknologi baru untuk ekstraksi sumber daya strategis uranium dan litium, namun juga mendorong keamanan energi global dan kelestarian lingkungan.
Kemajuan baru dalam ekstraksi uranium dari air laut dengan membran rekayasa hayati dua dimensi
Tim peneliti memasukkan Escherichia coli yang dimodifikasi dengan protein pengikat super uranil (SUP) ke dalam lapisan dua dimensi (2D) MXene (Ti3C2TX), dan mengembangkan membran komposit multifungsi dua dimensi "struktur seperti buku" melalui tren tekanan sendiri. -proses perakitan, yang mencapai identifikasi akurat dan pemisahan ion uranil dalam air laut secara efisien.
SUP memberikan membran hibrid bio-anorganik selektivitas ultra-tinggi terhadap ion uranil, sementara Escherichia coli yang direkayasa meningkatkan kekuatan mekanik dan keekonomian membran. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa membran mencapai identifikasi ion uranil yang akurat dan kinerja penyaringan ion yang sangat baik (SFU/V≈43, SFNa/U≈158).
Kinerja pemisahan yang sangat baik dan uji stabilitas siklik membuktikan potensi aplikasi industri dari membran. Hasil penelitian ini telah dipublikasikan di jurnal terkenal Nano Letters of the American Chemical Society pada November 2024 dengan judul “Layered Bio-Inorganic MXene Membranes: A Green Approach for Uranium Extraction from Seawater Used Genetically Modified E. coli”. Mahasiswa master Mao Xiaonan adalah penulis pertama makalah ini, dan Li Zhan, seorang peneliti di Frontier Science Center of Rare Isotopes di Universitas Lanzhou, dan Tian Longlong, seorang peneliti muda, adalah rekan penulis makalah ini.
Membran komposit multifungsi dua dimensi membantu teknologi baru untuk ekstraksi litium dari danau garam
Tim peneliti menggunakan efek sinergis antara logam untuk mengembangkan jenis baru kerangka organik bimetalik (MOF)/membran komposit graphene oxide (GO) antara lapisan graphene oksida. Artinya, 2-methylimidazole dimasukkan ke dalam lapisan graphene oksida pada suhu kamar, dan kemudian Zn2+ dan Co2+ ditangkap oleh lembaran nano graphene oksida dan membentuk ikatan koordinasi yang kuat dengan ligan imidazol , mewujudkan sintesis ZIF-8 dan ZIF-67 in-situ dalam interlayer oksida graphene.
Karya ini terutama memperjelas strategi baru mensintesis saluran heterogen lateral melalui strategi pertukaran ion dalam ruang sub-nano dua dimensi dan menggunakannya untuk ekstraksi litium dari danau garam asli, dan faktor pemisahannya untuk litium dan magnesium dapat mencapai 191. Membran inovatif ini Bahan ini tidak hanya meningkatkan kapasitas ekstraksi litium, namun juga mengatasi banyak kekurangan teknologi yang ada, memberikan solusi seng untuk ekstraksi sumber daya litium secara berkelanjutan dari danau garam.
Hasil penelitian ini dipublikasikan di jurnal American Chemical Society Nano Letters dengan judul “2D Membranes Interlayered with Bimetallic Metal-Organic Frameworks for Lithium Separation from Brines”. Yuan Furong, seorang mahasiswa master yang dilatih bersama oleh Universitas Lanzhou dan Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, adalah penulis pertama makalah ini, dan Peng Jiaoyu, seorang peneliti asosiasi di Qinghai Institute of Salt Lakes, dan Li Zhan , seorang peneliti di Frontier Science Center of Rare Isotopes di Universitas Lanzhou, adalah rekan penulis.
Selain itu, tim peneliti juga merancang nanosheet ZnFe2O4/ZnO berpori dan menyematkannya dalam saluran interlayer sub-nano yang diatur oleh Ag+, membentuk struktur saluran heterogen dua dimensi yang unik.
Pada saluran ini, atom oksigen membawa muatan negatif dan berinteraksi kuat dengan ion magnesium dengan kepadatan muatan tinggi, sehingga secara akurat “mengunci” ion magnesium, sedangkan ion litium dapat lewat dengan cepat. Mekanisme ini berbeda dengan mekanisme tolakan muatan permukaan tradisional, yang hanya mengandalkan efek tolakan muatan pada permukaan membran, sedangkan mekanisme penguncian muatan memiliki selektivitas yang lebih tinggi dengan mencapai penangkapan ion yang tepat dalam struktur antar lapisan.
Hasil penelitiannya dipublikasikan di Advanced Science dengan judul "Fine-Tuning 2D Heterogeneous Channels for Charge-Lock Enhanced Lithium Separation from Brine". Mahasiswa doktoral Hao Yaxin adalah penulis pertama makalah ini, dan peneliti Li Zhan dari Pusat Sains Perbatasan Isotop Langka Universitas Lanzhou adalah penulis terkait makalah ini.
Profesor Chen Ximeng dan Profesor Wu Wangsuo memberikan saran perbaikan penting untuk pekerjaan di atas. Penelitian di atas dipimpin oleh Rare Isotope Frontier Science Center di Universitas Lanzhou, dan Qinghai Institute of Salt Lakes dari Chinese Academy of Sciences serta Qinghai Nationalities University memberikan dukungan kuat untuk penelitian ini. Penelitian di atas didanai oleh National Key R&D Program, National Natural Science Foundation of China, dan Lanzhou University Central University Basic Research Business Expenses Cross-Team Project.
[Tautan artikel]
Surat Nano: https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c04709
Surat Nano: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.4c04040
Sains Tingkat Lanjut: https://doi.org/10.1002/advs.202406535
