利用更优质的膜回收有价值的材料

Josiah02

锂和钴等关键矿物对电池、电动汽车和可再生能源系统至关重要。为了满足对这些材料的长期需求，寻找采矿以外的这些材料来源已成为许多研究人员的首要任务。
为此，膜技术在从替代来源提取这些材料方面显示出了巨大的前景。这些膜具有纳米级孔隙，可以调节以过滤水和其他来源中的特定材料。
在《自然水资源》杂志的一篇论文中，耶鲁大学和麻省理工学院的研究小组从生物体中汲取灵感，概述了一种完善这项技术的方法。
“膜科学最近出现了一种更精确的设计趋势，”该论文的第一作者卡米尔·维奥莱特说。“我们需要更多地像生物化学家一样思考，并在分子水平上进行设计，以便我们能够分离化学性质相似的物种。”
例如，钴和镍在元素周期表中相邻。这使得传统的膜（根据尺寸或电荷的差异来分离物质）很难分离这些几乎相同的物质。
“我们需要分离的一些非常重要的金属只相差一个原子序数，”斯特林化学和环境工程教授梅纳赫姆·埃利米莱克实验室的博士生维奥莱特说道。
“随着我们使用的技术和产品变得越来越复杂，从这些废物流中回收金属的分离挑战也变得越来越困难。我们需要更精确地设计我们的分离技术。”
在他们的观点文章中，研究人员详细介绍了如何达到这一细节水平的计划。
“它制定了路线图，从识别可用于分离相似物种的选择性化学基团到将它们纳入膜设计中。”
这样做可以带来巨大的实际好处。目前最重要的材料是电池中使用的关键金属，例如钴、镍、锰、锂。然而，开采这些金属会产生巨大的环境成本，并且经常涉及不道德的人工劳动。
作为替代来源，废物流中蕴藏着大量未开发的资源。电子垃圾含有稀土元素和贵金属，废旧锂离子电池含有钴和锂，市政和工业废水含有从药品到肥料等许多有价值的产品。
“所以我们确实需要开发替代方法来回收这些材料，”维奥莱特说。
“但我们需要弄清楚如何将它们从复杂的废物流中分离成纯净的成分。膜将是电池阴极材料资源回收的一大飞跃。它们在从农业径流中分离硝酸盐和推进水处理方面也可能大有裨益。随着社会的现代化，我们的废物流变得越来越复杂，我们需要开始以更高的分辨率处理它们。”
为此，研究人员从生命形式中汲取灵感。例如，几乎所有生物体都有钾离子通道，可以排除钠来运输钾。
“如果我们将生物离子通道视为模型，那么我们就可以开始在膜科学中模仿这种设计。要做到这一点，我们需要弄清楚如何选择对我们的目标离子具有选择性的结合位点，以及我们应该如何在膜材料中对这些结合位点进行模式化，以便我们也能实现快速传输。”
她说，这篇论文的一个目标是让膜科学家更像生物化学家的思考方式。
她说：“当谈到选择性化学相互作用的知识时，生物化学比膜科学先进得多。”
“金属蛋白已经选择性地结合这些金属，因此我们可以从蛋白质数据库中寻找例子。我们可以从药物开发中汲取灵感，我们可以使用药物发现模型来尝试设计合成膜中的通道。”
更多信息： Camille Violet 等人，设计具有特定结合位点的膜用于选择性离子分离，Nature Water（2024）。DOI ：10.1038/s44221-024-00279-6
期刊信息： 《自然水》