新型石墨烯膜高效分離鹽湖中的鋰、鉀、鎂

[日期:2023-09-08] 作者:溫才妃 法伊莎 中國科學(xué)報(bào) 次瀏覽 [字體: ]

近日,蘭州大學(xué)教育部稀有同位素前沿科學(xué)中心教授陳熙萌、研究員李湛團(tuán)隊(duì)在《納米快報(bào)》上發(fā)表題為“渦流剪切力場(chǎng)制備具有牛頓環(huán)結(jié)構(gòu)的超平氧化石墨烯膜用于離子篩分”的成果,通過研究氧化石墨烯納米片在渦旋剪切力場(chǎng)中的結(jié)構(gòu)組成的動(dòng)態(tài)變化過程,發(fā)展出一種超級(jí)簡(jiǎn)單的渦旋力場(chǎng)拉伸堆積成膜策略,制備出高選擇性、低能耗的超平層間結(jié)構(gòu)的渦旋氧化石墨烯膜,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室階段鹽湖中鋰、鉀、鎂等離子的選擇性高效分離。

渦旋氧化石墨烯膜的形貌及分離性能。課題組供圖

我國是鹽湖資源大國,鹽湖中蘊(yùn)含著大量當(dāng)今技術(shù)領(lǐng)域所需的關(guān)鍵元素,主要以“鉀、鋰、鎂”等為代表,被視為與稀土具有同等戰(zhàn)略地位的重要資源。傳統(tǒng)的膜分離技術(shù)很難用于鹽湖鹵水中堿土金屬離子的選擇性分離,因此有必要發(fā)展一類更為簡(jiǎn)單、高效、經(jīng)濟(jì)環(huán)保的膜分離技術(shù),促進(jìn)我國鹽湖鹵水資源高質(zhì)化利用。

渦旋結(jié)構(gòu)在宇宙中非常常見,但其背后各種神奇的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)仍不被人們所理解,其中最為神奇的是渦旋力場(chǎng)對(duì)其周圍物質(zhì)結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響。研究人員通過簡(jiǎn)單的機(jī)械攪拌的方式,對(duì)氧化石墨烯溶液施加渦流力場(chǎng),制備出層間結(jié)構(gòu)可調(diào)的超平渦旋氧化石墨烯膜,并使用該膜實(shí)現(xiàn)了鹽湖鹵水中單價(jià)離子與二價(jià)鎂離子的高選擇性篩分。

研究發(fā)現(xiàn),氧化石墨烯納米片在渦旋剪切力場(chǎng)中,其邊緣位置受到不同大小和方向剪切力的拉扯,該作用不但消除了石墨烯表面存在的大量褶皺,而且促使表面褶皺間脂基的水解,變成羧基和羥基,進(jìn)而大幅提高石墨烯表面的含氧量。拉平的氧化石墨烯片在渦旋力場(chǎng)的作用下,通過π-π共軛作用,層層堆疊,最終形成一種具有彩色牛頓干涉環(huán)的超平氧化石墨烯膜。

經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,機(jī)械攪拌轉(zhuǎn)速增大,渦流剪切力作用增強(qiáng),增加了含氧基團(tuán)的數(shù)量,同時(shí)渦旋氧化石墨烯膜的平整度大幅增加,層間距逐漸減小,層間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性顯著提高,水通過超平整層間通道的阻力大幅降低,有效水通量增加約三倍。在等濃度離子分離實(shí)驗(yàn)中對(duì)于鉀離子/鎂離子分離因子約為57.92,之后將該膜應(yīng)用在真實(shí)鹽湖水的離子分離中,該膜對(duì)真實(shí)鹽水中的鋰離子/鎂離子、鈉離子/鎂離子和鉀離子/鎂離子表現(xiàn)出優(yōu)異的堿金屬與堿土金屬離子篩分效果,分離因子分別達(dá)到約68.02、84.26和379.17,具有高度的工業(yè)應(yīng)用前景。

該研究為層間結(jié)構(gòu)可控的二維膜的設(shè)計(jì)與構(gòu)筑提供了新策略,為解決氧化石墨烯膜在水中易膨脹問題提供了新思路,并為鹽湖鹵水中戰(zhàn)略元素的分離提取研究提供了新方向。