Verrassend ionentransportgedrag in nanofiltratiemembranen kunnen het lithiumherstel hervormen

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Wan Yinhua van het Institute of Process Engineering van de Chinese Academie van Wetenschappen heeft een verrassend nieuw mechanisme ontdekt dat ons begrip van ionentransport in nanofiltratie (NF) membranen fundamenteel verandert en kritische inzichten biedt in het verbeteren van het lithiumherstel van hoge-makbui. De bevindingen waren gepubliceerd in Natuurcommunicatie op 1 juli.

Jarenlang geloofden wetenschappers dat positief geladen NF-membranen effectiever zouden moeten zijn bij de scheiding van lithium (Li⁺) en magnesium (mg²⁺) ionen dan negatief geladen membranen op basis van de principes van co-ionen concurrentie en Donnan-evenwicht, die beschrijven hoe ionen worden afgeschaft door een laden membraan.

Deze theorieën suggereerden dat Li⁺, kleiner en afzonderlijk opgeladen, gemakkelijker door een positief geladen membraan zou gaan dan Mg²⁺, dat groter is en een dubbele lading draagt.

Maar in de praktijk vertonen negatief geladen NF -membranen vaak superieure LI⁺/mg²⁺ selectiviteit – een observatie dat bestaande theorieën niet volledig kunnen verklaren.

Om deze inconsistentie te begrijpen, combineerden de onderzoekers moleculaire dynamica -simulaties met experimentele metingen om iontransportdynamiek in gemengde zoutsystemen te onderzoeken. Ze ontdekten dat zeer negatief geladen NF -membranen met kleine poriëngroottes tegelijkertijd een hoge mg²⁺ -afstoting (> 90%) en opmerkelijk lage Li⁺ -afwijzing (–53,2%) bereikten, wat duidt op een ongebruikelijk selectiviteitsmechanisme.

Om dit fenomeen te verklaren, stelden de onderzoekers een “contrage-angstig concurrentiemechanisme” voor. Onder dit mechanisme accumuleren sterk gehydrateerde mg²⁺ -ionen zich in de buurt van het membraanoppervlak als gevolg van ladingaantrekking, waardoor dehydratatie van de zwak gehydrateerde li⁺ -ionen bij de porie ingang bevordert. Deze uitdroging vermindert de grootte van Li⁺ en versterkt zijn elektrostatische interactie met het membraan, waardoor het transport over het membraan uiteindelijk wordt verbeterd.

“Onze bevindingen bieden een mechanistische basis voor het ontwerpen van NF-membranen van de volgende generatie met op maat gemaakte ionenselectiviteit,” zei prof. Luo Jianquan, overeenkomstige auteur van de studie. “Dit werk bevordert niet alleen het theoretische begrip van het NF -proces, maar opent ook nieuwe mogelijkheden voor efficiënte lithiumextractie door uitdagende pekelbronnen.”