استخراج لیتیوم از منابع طبیعی، به‌ویژه شورابه‌های دریاچه‌های نمکی، یکی از مسیرهای تأمین این فلز راهبردی برای صنایع باتری و ذخیره‌سازی انرژی است. بااین‌حال، وجود مقادیر زیاد منیزیم و دیگر نمک‌های محلول در این منابع، جداسازی لیتیوم را دشوار و پرهزینه می‌کند. از آنجا که یون‌های منیزیم و لیتیوم رفتار شیمیایی متفاوتی دارند، اما در محلول‌های طبیعی هم‌زمان حضور دارند، دستیابی به روشی که بتواند این یون‌ها را با دقت و بازده مناسب از یکدیگر جدا کند، اهمیت زیادی دارد.
پژوهشگران دانشگاه کوبه (Kobe University) ژاپن و همکارانشان اکنون غشای پلیمری جدیدی ساخته‌اند که می‌تواند به این چالش پاسخ دهد. ویژگی اصلی این غشا، کنترل نحوه حرکت یون‌ها از طریق شبکه‌ای از کانال‌های آب در ابعاد آنگسترومی است. این کانال‌ها به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که عبور یون‌های تک‌ظرفیتی را تسهیل می‌کنند، اما برای عبور یون‌های چندظرفیتی مانع ایجاد می‌کنند. نتایج این پژوهش در مجله Science Advances و در مقاله‌ای با عنوان «مهندسی کانال‌های آب در غشاهای پلیمری متخلخل مبتنی بر پایه تروگر برای تفکیک کاتیون‌ها و آنیون‌های تک‌ظرفیتی و چندظرفیتی» منتشر شده است.
یکی از محدودیت‌های مهم فناوری‌های متداول غشایی، وجود نوعی مصالحه میان سرعت انتقال یون‌ها و دقت جداسازی است. اگر منافذ غشا بزرگ باشند، یون‌ها آسان‌تر عبور می‌کنند، اما یون‌های ناخواسته نیز همراه آن‌ها از غشا می‌گذرند. در مقابل، کوچک‌کردن منافذ می‌تواند انتخاب‌پذیری را افزایش دهد، ولی معمولاً سرعت انتقال مواد را کاهش می‌دهد. افزون بر این، بسیاری از غشاهای تبادل یونی موجود برای جداسازی کاتیون‌ها یا آنیون‌ها طراحی شده‌اند و توانایی محدودی در تفکیک هم‌زمان یون‌های تک‌ظرفیتی و چندظرفیتی با بارهای مثبت و منفی دارند.
تیم پژوهشی برای عبور از این محدودیت‌ها، غشایی بر پایه پلیمرهای آلی متخلخل مشتق‌شده از ترکیبات موسوم به «پایه تروگر» (Tröger’s base) طراحی کرد. این پلیمرها ساختاری سه‌بعدی و نسبتاً سخت دارند و می‌توان با انتخاب و ترکیب واحدهای مولکولی مناسب، شبکه‌ای از منافذ به‌هم‌پیوسته در آن‌ها ایجاد کرد. در ساختار غشای جدید، عرض منافذ حدود ۰.۵ تا ۰.۷ نانومتر است.
پژوهشگران سپس گروه‌های عاملی بارداری را به ساختار غشا افزودند تا مولکول‌های آب بتوانند درون منافذ، مسیرهایی پیوسته و به‌هم‌مرتبط تشکیل دهند. این مسیرها که «کانال‌های آب‌پوشی» یا Hydration Channels نامیده می‌شوند، محیطی را فراهم می‌کنند که حرکت یون‌ها در آن به ویژگی‌های بار الکتریکی و نحوه برهم‌کنش آن‌ها با مولکول‌های آب وابسته است.
در این طراحی، صرفاً اندازه منافذ تعیین‌کننده عملکرد غشا نیست؛ بلکه نحوه آرایش مولکول‌های آب، پیوستگی مسیرهای آبی و ویژگی‌های شیمیایی محیط داخلی نیز در انتخاب‌پذیری نقش دارند. به گفته پژوهشگران، همین کنترل هم‌زمان ساختار منافذ و محیط آب‌پوشی است که امکان عبور سریع‌تر یون‌های مطلوب و محدودکردن حرکت یون‌های ناخواسته را فراهم می‌کند.
آزمایش‌ها و شبیه‌سازی‌های مولکولی نشان دادند که یون‌های تک‌ظرفیتی می‌توانند بخشی از مولکول‌های آب پیرامون خود را بازآرایی کنند و با مقاومت نسبتاً کمی از کانال‌های باریک عبور کنند. در مقابل، یون‌های چندظرفیتی به دلیل برهم‌کنش قوی‌تر با مولکول‌های آب، محدودیت فضایی و نیروهای الکترواستاتیکی با موانع بیشتری روبه‌رو می‌شوند. برای نمونه، عبور یون منیزیم به دلیل محدودیت فضایی و دافعه الکترواستاتیکی کاهش می‌یابد. یون سولفات نیز می‌تواند با جایگاه‌های باردار درون غشا برهم‌کنش قوی برقرار کند و در نتیجه حرکت آن محدود شود.
نکته مهم در این طراحی آن است که غشا فقط برای جداسازی یون‌های مثبت عملکرد انتخابی ندارد؛ بلکه می‌تواند میان آنیون‌های تک‌ظرفیتی و چندظرفیتی نیز تمایز ایجاد کند. چنین قابلیتی دامنه کاربردهای احتمالی این فناوری را نسبت به غشاهایی که صرفاً بر اساس نوع بار الکتریکی عمل می‌کنند، گسترش می‌دهد.
برای ارزیابی عملکرد عملی غشا، پژوهشگران آن را در یک سامانه الکترودیالیز سه‌مرحله‌ای برای استخراج لیتیوم از شورابه غنی از منیزیم به کار گرفتند. الکترودیالیز روشی برای جداسازی یون‌های محلول است که در آن میدان الکتریکی، حرکت یون‌ها را از میان غشاهای انتخابی هدایت می‌کند. با استفاده از این روش می‌توان برخی یون‌ها را از محلول جدا و در بخش دیگری متمرکز کرد.
نتایج نشان داد که نسبت منیزیم به لیتیوم در شورابه اولیه، که حدود ۴۰ بود، پس از عبور از سه مرحله جداسازی به حدود ۰.۰۸ کاهش یافت. به این ترتیب، نسبت منیزیم به لیتیوم تقریباً ۵۰۰ برابر کمتر شد. محلول غنی‌شده از لیتیوم در ادامه برای تولید بلورهای کربنات لیتیوم به کار رفت و محصول نهایی خلوص ۹۹.۵ درصد داشت.
یکی دیگر از نتایج قابل‌توجه، حفظ عملکرد غشا در طول بیش از ۴۰۰ ساعت کار مداوم در فرایند الکترودیالیز بود. پایداری در چنین بازه‌ای برای فناوری‌های غشایی اهمیت دارد، زیرا عملکرد جداسازی در کاربردهای صنعتی باید در دوره‌های طولانی حفظ شود و افت انتخاب‌پذیری یا افزایش مقاومت غشا می‌تواند هزینه بهره‌برداری را بالا ببرد.
پژوهشگران همچنین نشان دادند که کاربرد این غشا به استخراج لیتیوم محدود نیست. آن‌ها از همین ساختار برای غنی‌سازی کلرید سدیم از آب دریای شبیه‌سازی‌شده استفاده کردند. پس از فرایند جداسازی، یون‌های سدیم و کلرید در مجموع ۹۹.۴ درصد از جرم یون‌های اندازه‌گیری‌شده در محلول غنی‌شده را تشکیل می‌دادند. این نتیجه نشان می‌دهد که طراحی غشا می‌تواند برای جداسازی ترکیب‌های یونی متفاوت نیز به کار گرفته شود.
کنترل انتخابی عبور یون‌ها از غشا می‌تواند در آینده برای بازیابی مواد ارزشمند از شورابه‌ها، تصفیه جریان‌های صنعتی و برخی فرایندهای الکتروشیمیایی اهمیت پیدا کند. بااین‌حال، نتایج آزمایشگاهی به‌تنهایی برای اثبات آمادگی فناوری در مقیاس صنعتی کافی نیستند. ارزیابی عملکرد غشا در شورابه‌های طبیعی با ترکیب متغیر، بررسی مقاومت آن در برابر گرفتگی و آلودگی، امکان تولید انبوه غشا و هزینه انرژی فرایند، از جمله موضوعاتی هستند که باید در مراحل بعدی بررسی شوند.
این پژوهش نشان می‌دهد که در طراحی غشاهای جداساز، کنترل رفتار آب درون منافذ می‌تواند به‌اندازه کنترل اندازه منافذ اهمیت داشته باشد. اگر این رویکرد در آزمون‌های صنعتی نیز عملکرد خود را حفظ کند، می‌تواند مسیر تازه‌ای برای جداسازی انتخابی یون‌ها و بازیابی منابع ارزشمند از محلول‌های پیچیده فراهم کند.