Efikasno vađenje vrednih resursa iz vode moglo bi uveliko doprineti jačanju nacionalne bezbednosti, a istovremeno pomoći životnoj sredini. Dve nedavne studije iz laboratorije prof. Menahema Elimeleha nude perspektive o načinima pristupa naporima.
Upotreba specijalno razvijenih membrana za ekstrakciju kritičnih materijala iz vode – metoda poznata kao nanofiltracija – potencijalno ima brojne prednosti za nacionalnu bezbednost i životnu sredinu. Međutim, da bi bio zaista efikasan, Elimelechov istraživački tim poziva svoje kolege naučnike da svoje napore prilagode određenim materijalima. Svoj rad objavili su u jednoj zemlji.
Visoka stopa potrošnje kritičnih materijala—koji mogu uključivati vodu, metale, elemente retkih zemalja, hranljive materije i farmaceutske proizvode—ne samo da ugrožava njihove lance snabdevanja već je i štetna po životnu sredinu. Na primer, rastuća potražnja za baterijama ugrozila je snabdevanje litijumom, suštinskim elementom za energetske tehnologije sa niskim sadržajem ugljenika. Da bi se zadovoljila dugoročna potražnja, ključno je da se odmaknemo od velikog oslanjanja na rudarstvo, potrošnju za jednokratnu upotrebu i odlaganje.
A kritični minerali kao što su litijum, kobalt i elementi retkih zemalja su od vitalnog značaja za nacionalnu bezbednost zbog svoje suštinske uloge u naprednim tehnologijama kao što su električna vozila, sistemi obnovljivih izvora energije i odbrambene aplikacije. Obezbeđivanje domaćeg snabdevanja je ključno za smanjenje oslanjanja na strane izvore i održavanje konkurentnosti u ključnim industrijama neophodnim za ekonomski rast i odbrambene sposobnosti.
Nanofiltracione membrane su efikasno sredstvo za postizanje ovih ciljeva. Između ostalih aplikacija, nanofiltracija se trenutno koristi za omekšavanje vode, uklanjanje alkohola iz piva i za pravljenje koncentrata sokova.
„Nanofiltracija se trenutno široko koristi, ali mislimo da još uvek postoji mnogo potencijala koji još uvek ne možemo da iskoristimo samo zato što nemamo prave membrane“, rekao je Luis Francisco Villalobos, postdoktorski istraživač i glavni autor rada.
Tehnologija nanofiltracije koristi nanoporoznu membranu koja služi kao molekularni filter, praveći razliku između različitih materijala u smeši. Za razliku od membrana reverzne osmoze, koje odbijaju većinu jona i nenaelektrisanih molekula, nanofiltracione membrane dozvoljavaju nekim rastvorenim materijama da prođu kroz nanopore, omogućavajući oporavak najkritičnijih materijala.
Međutim, da bi se u potpunosti oslobodile prednosti nanofiltracije za životnu sredinu, istraživači kažu da je neophodno optimizovati svojstva membrane kako bi se bolje razlikovale rastvorene komponente u struji hrane. Da bi se stvorile nanofiltracione membrane sledeće generacije, ovo polje treba da unapredi svoje razumevanje osnovnih principa projektovanja i proizvodnje selektivnih membrana jedne vrste. To bi vodilo put ka strategijama koje odgovaraju svrsi sa specifičnim ciljevima.
„Ako su membrane bolje dizajnirane, onda ih možemo koristiti za razdvajanje složenijih rastvorenih materija koje su veoma slične jedna drugoj“, rekao je Villalobos. „A ovo može imati ogroman potencijal da poveća kružnost određenih kritičnih materijala.“
Na primer, rekao je on, ako su pore nanofiltracione membrane dizajnirane tako da mogu da razlikuju litijum i druge jone, onda bi proces potencijalno mogao da se koristi za oporavak litijuma iz nekonvencionalnih izvora kao što je iz slane vode koja je rezultat proizvodnje nafte i gasa.
Elimelech, Sterling profesor hemijskog inženjerstva i inženjerstva životne sredine, rekao je da ovo polje može da crpi iz bioloških sistema za inspiraciju. Na primer, naša tela sadrže membrane koje se mogu odvojiti između kalijuma i natrijuma, koji su veoma slični.
„Ako možete da ugradite takvu hemiju u ove membrane, mislim da možemo da uradimo ovakve stvari“, rekao je on.
Studija One Earth dolazi ubrzo nakon drugog rada koji je Elimelech laboratorija objavila na sličnu temu. U Nature Vater u junu, Elimelechova grupa je pisala o važnosti davanja prioriteta koji metali treba da se povrate iz otpadnih voda i slane vode.
„Želimo da povratimo neke od ovih metala koji se inače rasipaju jer su visoke vrednosti i potencijalno ih nedostaje, posebno pošto metali postaju sve više i više korišćeni sa energetskom tranzicijom“, rekao je glavni autor Rajan DuŠanois, postdoktorski naučni saradnik na Univerzitetu Rajs i bivši dr. student u Elimelehovoj laboratoriji. „Ali pošto postoji toliko različitih metala u periodičnoj tabeli, ne možemo se fokusirati na sve njih.“
U radu se procenjuje izvodljivost dobijanja ovih metala iz različitih izvora vode procenom potrebnih operativnih troškova koji odgovaraju tržišnim cenama. Takođe naglašava materijale i procese koji bi mogli poslužiti kao održivije alternative za oporavak metala uz dalje istraživanje i razvoj.
Istraživači favorizuju ekstrakciju metala iz industrijskih otpadnih voda, gde su oni bogati i koncentrisani, za razliku od vađenja metala iz morske vode.
„Koncentracija litijuma u okeanu je veoma niska, a pošto je koncentracija tako niska, potrebno je da preradite milione galona vode i to neće biti ekonomično“, rekao je Elimeleh.
U budućnosti, DuChanois je rekao da se nada da će još više suziti listu prioritetnih metala i da će videti više napora u razvoju tehnologija za oporavak koje imaju nisku hemijsku potražnju i nisku potrošnju energije.
