Litij, magnezij i kalij gotovo nikada ne dolaze sami — a upravo je njihovo razdvajanje najveće usko grlo u lancu opskrbe kritičnim sirovinama.
Istraživači s Max Planck instituta za koloidne i granične površine te Sveučilišta u Alberti razvili su membranu čiju se sposobnost razdvajanja iona može kontrolirati svjetlom i električnim naponom. U uvjetima koje su proučavali, membrana je propuštala litijeve ione 228 puta lakše od magnezijevih, a kalijeve čak 560 puta. Rezultati su objavljeni u časopisu Angewandte Chemie.
Membrane sadrže sitne kanale kroz koje neki ioni prolaze lakše od drugih. U složenim sustavima poput slanica razdvajanje je teže jer su ioni obavijeni vodenim molekulama koje tvore hidratacijski omotač, a njegova veličina i čvrstoća razlikuju se od iona do iona. Jednovalentni ioni poput litija i kalija nose jedan pozitivan naboj, dok magnezij nosi dva. Zbog razlika u hidrataciji i interakciji s nabijenim nanokanalima, ioni se kreću različitim brzinama — i upravo tu razliku istraživači koriste.
Tri sloja koja filtriraju po narudžbi
Membrana je hijerarhijski strukturirana od tri komponente. Anodni aluminijev oksid s poravnatim nanokanalima služi kao podloga. Na njemu je tanak sloj karbonitrida, fotoaktivna komponenta. Treći sloj čini poli(ionska tekućina) koja tvori pozitivno nabijenu površinu membrane.
Karbonitrid omogućuje da se transport iona regulira izvana. Osvjetljavanje membrane uz istovremenu primjenu električnog napona mijenja električne uvjete unutar nabijenih nanokanala, pa se kontrolira koji ioni prolaze.
“Membrana u određenom smislu funkcionira kao filter kojim se može upravljati”, rekao je Enis Oğuzhan Eren, prvi autor studije. “Svjetlom i električnim poljem možemo utjecati na to koji ioni imaju prednost pri prolasku kroz nanokanale.”
I bez vanjskih podražaja membrana je preferirala jednovalentne ione pred dvovalentnima. Kombinacija svjetla i napona tu je selektivnost dodatno pojačala.
Zašto je magnezij problem, a litij cilj
Razdvajanje litija i magnezija posebno je važno za ekstrakciju litija jer magnezij komplicira proces obrade otopina koje sadrže litij. Dugoročno, princip bi mogao naći primjenu u procesima obrade i oporabe sirovina, gdje je potrebno izdvojiti određene ione iz složenih otopina.
“Naši rezultati pokazuju da se transport iona u nanokanalima može dinamički kontrolirati”, rekao je Paolo Giusto, voditelj skupine na Max Planck institutu i glavni istraživač bilateralnog projekta. “To postavlja temelj za membrane čija se svojstva razdvajanja mogu mijenjati osvjetljavanjem.”
Ovo nije prvi put da se nanomembrane hvale selektivnošću prema litiju. Ali dosadašnja rješenja uglavnom su bila statična — jednom postavljena kemija i struktura materijala određivale su što prolazi, a što ostaje. Novost je u tome što se svojstvo filtra mijenja u hodu, vanjskim signalom, bez zamjene membrane.
Ostaje pitanje koje autori ne postavljaju: koliko je takav sustav izvediv izvan laboratorija? Svjetlo i napon znače dodatnu energiju i infrastrukturu, a industrijske slanice su daleko prljavije od kontroliranih uzoraka u pokusu. Ako cijena litija ponovno padne, pitanje je hoće li itko platiti skuplji, ali precizniji proces.
Istraživanje je objavljeno u časopisu Angewandte Chemie International Edition pod naslovom o hijerarhijskoj membrani za fotoelektrostatski regulirano razdvajanje jednovalentnih i dvovalentnih iona.