غشای رُسی دوبعدی؛ کلید استخراج ارزان لیتیوم از آب دریا

به گزارش سرویس علم و فناوری تابناک، لیتیوم در آب دریا پنهان است و اکنون یک غشای رُسی دوبعدی جدید، می‌تواند کلید استخراج ارزان و کارآمد آن باشد.

به گزارش آی‌ای، معادن را فراموش کنید؛ محل بعدی استخراج لیتیوم ممکن است اقیانوس‌ها باشند. در یک پیشرفت بزرگ، محققان آزمایشگاه ملی آرگون وابسته به وزارت انرژی آمریکا (DOE) و دانشگاه شیکاگو، یک فناوری غشایی نوین توسعه داده‌اند که قادر است لیتیوم را از آب شور استخراج کند.

این غشا که از ماده‌ای به نام ورمیکولیت (vermiculite) ساخته شده، نوعی خاک رُس طبیعی، ارزان و فراوان است که هر تُن آن حدود ۳۵۰ دلار قیمت دارد. این غشا می‌تواند یون‌های لیتیوم را با راندمان بالا فیلتر کرده و جایگزینی بالقوه برای روش‌های سنتی استخراج ارائه دهد.

استخراج بدون نیاز به معدن

در حال حاضر، بیشتر لیتیوم جهان از معادن سنگ سخت یا با تبخیر آب دریاچه‌های نمک در چند کشور خاص استخراج می‌شود. این فرآیند‌ها نه‌تنها پرهزینه و زمان‌بر هستند، بلکه زنجیره تأمین جهانی را نیز آسیب‌پذیر می‌کنند.

با این حال، حجم زیادی از لیتیوم به‌صورت محلول در آب دریا و شورابه‌های زیرزمینی وجود دارد؛ منابعی که تاکنون استخراج لیتیوم از آنها بسیار ناکارآمد بوده است.

تیم تحقیقاتی آرگون–دانشگاه شیکاگو موفق شد ورمیکولیت را به ورقه‌هایی بسیار نازک با ضخامت در حد نانومتر لایه‌برداری کرده و سپس این ورقه‌ها را به‌صورت متراکم روی یکدیگر بچیند تا یک فیلتر دولایه‌ای ایجاد شود. این ورقه‌ها آن‌قدر نازک هستند که به‌عنوان مواد «دوبعدی» شناخته می‌شوند.

با این حال، خاک رُس خام به دلیل جذب شدید آب، طی نیم ساعت در آب از هم می‌پاشد. برای رفع این مشکل، پژوهشگران با افزودن ستون‌های میکروسکوپی از جنس اکسید آلومینیوم، به ساختار غشا پایداری بیشتری دادند؛ ساختاری شبیه به پارکینگ طبقاتی.

این طراحی هوشمندانه، علاوه بر پایداری غشا در آب، امکان جداسازی یون‌ها بر اساس اندازه و بار آنها را نیز فراهم کرده که برای تفکیک لیتیوم از عناصر مشابهی مانند منیزیم و سدیم بسیار حیاتی است.

قدرت پنهان در آب‌نمک

در مرحله بعد، محققان غشا را با یون‌های سدیم بارگذاری کردند تا بار سطحی آن از حالت خنثی به مثبت تغییر یابد. در آب شور، یون‌های لیتیوم و منیزیم هر دو دارای بار مثبت هستند، اما منیزیم دارای بار ۲+ است در حالی‌که لیتیوم بار ۱+ دارد.

غشای دارای بار مثبت، یون‌های منیزیم را به دلیل بار قوی‌ترشان بیشتر دفع کرده و به لیتیوم اجازه عبور آسان‌تری می‌دهد.

برای افزایش گزینش‌پذیری، یون‌های سدیم بیشتری به غشا افزوده شد که موجب تنگ‌تر شدن منافذ و در نتیجه، افزایش دقت در جذب یون‌های کوچک‌تر مانند لیتیوم شد.

فناوری‌ای فراتر از لیتیوم

نتیجه این پژوهش، تولید روشی کم‌هزینه و مقیاس‌پذیر برای استخراج لیتیوم از منابعی همچون آب دریا، شورابه‌های زیرزمینی و حتی فاضلاب است.

یینینگ لیو (Yining Liu)، نویسنده اول این مقاله و دانشجوی دکتری دانشگاه شیکاگو می‌گوید: غشای ما می‌تواند با فیلتر کردن یون‌ها بر اساس اندازه و بار، لیتیوم را با راندمانی بسیار بالا از آب بیرون بکشد. این فناوری می‌تواند وابستگی ما به تأمین‌کنندگان خارجی را کاهش داده و مسیر بهره‌برداری از منابع جدید لیتیوم در مکان‌هایی که هرگز تصور نمی‌کردیم را هموار سازد.

پیامد‌های این فناوری تنها محدود به لیتیوم نیست. پژوهشگران می‌گویند این غشا می‌تواند در بازیابی سایر مواد معدنی حیاتی همچون نیکل، کبالت، عناصر خاکی کمیاب و حتی حذف آلاینده‌های مضر از آب آشامیدنی نیز به کار رود.

لیو در پایان افزود: انواع زیادی از این ماده رُسی در دسترس است. ما در حال بررسی کاربرد‌های مختلف آن برای استخراج عناصر حیاتی از آب دریا، شورابه‌ها و حتی تصفیه آب آشامیدنی هستیم.