Магний — в отстой, литий — вперед: как мембраны начали обманывать законы химии
Представьте фильтр, который не задерживает литий, а… помогает ему просочиться — именно такой парадокс обнаружили исследователи.
Ученые из Института инженерных процессов Китайской академии наук во главе с профессором Вань Иньхуа обнаружили неожиданный механизм, который меняет представление о том, как ионы лития и магния проходят через нанофильтрационные мембраны. Это открытие может серьезно упростить добычу лития из соленых озер, где его обычно «разбавляет» магний.
Нанофильтрационная мембрана — это тонкий материал с порами размером в нанометры (в 100 000 раз тоньше волоса), который пропускает одни ионы или молекулы, задерживая другие. Заряд мембраны и размер пор определяют, что именно пройдет, а что нет.
Результаты опубликованы в издании Nature Communications.
Раньше считалось, что мембраны с положительным зарядом лучше разделяют эти ионы: литий (Li⁺) меньше и слабее отталкивается, чем магний (Mg²⁺). Но на практике эффективнее оказались отрицательно заряженные мембраны — и это противоречило общепринятым теориям.
Чтобы разобраться, команда совместила компьютерное моделирование и эксперименты. Оказалось, что мембраны с сильным отрицательным зарядом и мелкими порами задерживают более 90% магния, но при этом… пропускают больше лития, чем обычная вода (–53,2% задержки). Такого никто не ожидал.
Разгадка — в новом механизме, который назвали «конкуренцией противоионов». У поверхности мембраны скапливаются ионы магния: они сильно притягиваются зарядом и „тащат“ за собой воду. Из-за этого литий, который хуже удерживает воду, легче теряет свою „водную оболочку“, становится компактнее и быстрее проскакивает через поры.
Теперь мы понимаем, как проектировать мембраны для избирательного разделения ионов, — говорит соавтор работы профессор Ло Цзяньцюань. — Это не только теория, но и шаг к эффективной добыче лития из сложных источников.
Практическая ценность — в удешевлении добычи лития. Сейчас его получают из солевых растворов, где магний — основной «конкурент». Традиционные методы (выпаривание, химическое осаждение) энергозатратны и вредят экологии. Если создать мембраны на основе этого механизма, процесс станет проще: меньше этапов, меньше реагентов, выше выход лития. Особенно важно для электромобилей — спрос на литий растет экспоненциально.
Исследование не учитывает долгосрочную стабильность мембран: в реальных условиях (высокие концентрации солей, перепады pH) их эффективность может снижаться. Также неясно, как масштабировать технологию — лабораторные условия далеки от промышленных.
Ранее стало известно, как томские ученые подстегнули энергетику.
