关键金属绿色提取技术获重大突破：仿生膜实现高选择性高效分离

来源：科技日报

科技日报记者 宋迎迎

4月17日，中国科学院青岛生物能源与过程研究所联合江汉大学、中国科学院理化技术研究所，共同宣布在战略性金属资源回收领域取得重要进展。研究团队成功开发出一种具有普适性的关键金属离子膜分离新技术。该技术方案能够绿色、高效且高选择性地从复杂溶液环境中提取铀、铜、金等稀缺金属资源，精准解决了传统提取工艺普遍存在的高污染、高能耗与低效率难题。这项突破性研究成果已于4月16日在线发表于国际权威期刊《自然·纳米技术》。

长期以来，工业上提取关键金属主要依赖于溶剂萃取法。该方法虽能有效富集金属，但过程需消耗大量有机溶剂及酸碱试剂，不仅导致生产成本居高不下，更伴随严重的环境污染与废液处理问题。与之相比，膜分离技术作为一种新兴的绿色分离手段，仅依靠电场、压力或浓度差驱动，无需添加有机溶剂，被业界视为更环保、更节能的未来方向。然而，关键金属离子通常带有较高电荷，极易被材料吸附，传统理论认为“吸附越强，脱附越难”，导致离子在膜内的传输阻力巨大——这一瓶颈长期制约着膜分离技术在关键金属回收领域的实际应用。

如何破解“强吸附”与“快传输”之间的矛盾？研究团队从生命体系中找到了灵感。他们发现，生物体内的钙离子通道具有一种独特现象：离子与通道内壁结合力越强，其跨膜传输速率反而越快。受此生物智能启发，团队提出了一个创新的科学构想：若能在人工合成膜材料中，构建出尺寸与目标离子相匹配的一维纳米限域通道，并在通道内壁精准修饰具有超高选择性的功能分子，模拟生物离子通道的机制，是否就能实现关键金属离子的高效、快速选择性分离？

为验证这一仿生分离理念，团队选用结构可精准设计的共价有机框架材料作为制备基底。研究人员精心筛选了孔径略大于目标离子的COF膜，并在其纳米孔道内壁高密度接枝了对铀酰离子具有特异性强吸附作用的偕胺肟功能基团。实验结果显示，即使在真实海水这种含有大量钠、镁、钙等竞争离子的复杂体系中，该仿生膜仍能持续、高效地选择性富集铀，展现出优异的抗干扰能力和分离稳定性。

尤为重要的是，此项仿生膜分离策略具备显著的普适性与可拓展性。研究指出，通过灵活更换通道内壁的特异性识别基团，该技术平台可轻松适配于铜、金、锂等多种高价值关键金属的分离与回收。其核心分离机制不依赖于单一驱动方式，可广泛应用于扩散渗析、电渗析、压力驱动过滤等多种膜分离工艺，应用前景十分广阔。

这项研究无疑为战略性金属资源的绿色低碳回收开辟了一条全新的技术路径。目前，研究团队正致力于攻克仿生离子通道分离膜的规模化、低成本制备技术，全力推动该前沿技术从实验室走向产业化应用，为保障国家资源安全与可持续发展提供关键技术支撑。

（研究团队供图）