ممکن است میلیاردها عنصر خاکی کمیاب در خاکستر زغال سنگ آمریکا پنهان شده باشند

یک تیم تحقیقاتی به رهبری موسسه پلی تکنیک Worcester (WPI) جایزه 3.3 میلیون دلاری را از برنامه تحقیقات همگرایی رو به رشد بنیاد ملی علوم دریافت کرده است تا بررسی کند که آیا استراتژی های بیولوژیکی مورد استفاده توسط دیاتوم ها، اسفنج های دریایی و گیاهان می تواند به بازیابی این منابع با انرژی کمتر و مواد شیمیایی خشن کمتر کمک کند.

این تلاش پنج ساله و دو مرحله ای توسط مینگجیانگ تائو، دانشیار دپارتمان مهندسی عمران، محیط زیست و معماری WPI هدایت می شود. پروفسور کریک اگلستون و یان وانگ، محققین اصلی هستند. محققان دانشگاه جورج میسون، کالیفرنیا سن دیگو، دانشگاه ماساچوست آمهرست و دانشگاه بوفالو نیز مشارکت خواهند داشت.

تائو گفت: «بازیابی مواد معدنی حیاتی تنها بخشی از فرصت است. “ما می خواهیم فرآیندی ایجاد کنیم که با جداسازی عناصر مهم استراتژیک و در عین حال تبدیل مواد باقیمانده به محصولات مفید، تا حد امکان از هر جریان زباله استفاده کند. این رویکرد کل مواد می تواند اساساً نحوه مدیریت زباله ها و دستیابی به منابع ضروری را در صنایع تغییر دهد.”

مواد معدنی با ارزش نهفته در زباله ها

این پروژه برای رسیدگی به دو موضوع مرتبط طراحی شده است.

بسیاری از مواد مشتق شده از سیلیکون که در بتن، شیشه، سرامیک، نیمه هادی ها و سیلیکون ها استفاده می شوند، برای تولید نیاز به دماهای بالا، مقادیر زیادی انرژی و پردازش شیمیایی شدید دارند. در عین حال، صنعت مقادیر زیادی ضایعات غنی از سیلیکون از جمله پسماندهای خاکستر زغال سنگ، گل قرمز، باطله معدن، ضایعات بتن، شیشه زباله و سرباره متالورژی تولید می کند.

بسیاری از این مواد در محل‌های دفن زباله، دریاچه‌ها، مخازن و توده‌های زباله بزرگ به پایان می‌رسد، اگرچه ممکن است حاوی سیلیکون مفید، مواد معدنی حیاتی و عناصر خاکی کمیاب (REEs) باشد.

یک برآورد نشان می دهد که 11 میلیون تن REE محبوس شده در زباله های خاکستر زغال سنگ ایالات متحده ارزشی معادل 8.4 میلیارد دلار دارد که تقریباً هشت برابر ذخایر داخلی فعلی این کشور است. عناصر خاکی کمیاب و سایر مواد معدنی حیاتی برای الکترونیک، فناوری های انرژی پاک، حمل و نقل و امنیت ملی مهم هستند.

برای رویکردی پاک‌تر به طبیعت نگاه کنید

برای یافتن راهی بهتر برای بازیابی این مواد، محققان به زیست شناسی روی آورده اند.

دیاتوم ها، اسفنج های دریایی و برخی گیاهان از مولکول های بیولوژیکی و داربست های آلی برای جمع آوری سیلیکون محلول و ساخت ساختارهای سیلیکونی پیچیده در شرایط نسبتاً ملایم استفاده می کنند. این تیم امیدوار است که این فرآیندهای طبیعی را برای ایجاد روش های کم انرژی برای تجزیه زباله های صنعتی غنی از سیلیس تطبیق دهد.

هدف نه تنها رهاسازی عناصر کمیاب خاکی و سایر مواد معدنی حیاتی محبوس شده در داخل مواد، بلکه تبدیل خود سیلیس به محصولات مفید است.

هوش مصنوعی و زیست مولکول ها می توانند کشف را تسریع کنند

این پروژه ترکیبی از تخصص های زیست شناسی، ژئوشیمی، علم مواد، متالورژی، مهندسی، شیمی محاسباتی و هوش مصنوعی است.

محققان قصد دارند از مدل‌سازی محاسباتی پیشرفته و هوش مصنوعی برای طراحی بیومولکول‌های تخصصی و پیش‌بینی نحوه تعامل آنها با زباله‌های غنی از سیلیکون استفاده کنند. این ابزارها می توانند به تیم کمک کنند تا سریعتر رویکردهای امیدوارکننده برای بازیافت مواد معدنی و تولید مواد را شناسایی کنند.

به عنوان محقق اصلی، تائو پروژه کلی را مدیریت و هماهنگ می کند، در حالی که تحقیقات در مورد بیوسیلیسی شدن، فرآیندی که ارگانیسم ها مواد سیلیکونی را تشکیل می دهند و متالورژی فعال زیستی برای بازیابی عناصر خاکی کمیاب از زباله های غنی از سیلیکون را هدایت می کند.

اگلستون، استاد دپارتمان مهندسی عمران، محیط زیست و معماری با سابقه ژئوشیمی، کار متمرکز بر درک و بهینه سازی واکنش های شیمیایی مربوط به تخریب و بازیافت مواد سیلیکات را رهبری خواهد کرد.

تحقیقات او مسیرهای واکنش و سرعت های مرتبط با انحلال سیلیکات، پلیمریزاسیون مجدد، کربن سازی، تشکیل شیشه و سنتز سیلیکون را بررسی خواهد کرد.

وانگ، استاد مهندسی مکانیک و مواد ویلیام بی. اسمیت و پیشگام شناخته شده در بازیافت باتری و تولید پایدار، توسعه روش‌های مهندسی زیستی برای بازیابی خاک‌های کمیاب و سایر مواد معدنی حیاتی را رهبری خواهد کرد.

تبدیل ضایعات صنعتی به محصولات قابل فروش

محققان همچنین بررسی خواهند کرد که آیا این فناوری ها می توانند از نظر اقتصادی و عملی برای استفاده صنعتی افزایش یابند.

اگر این رویکرد موفقیت آمیز باشد، می تواند راه های جدیدی را برای تبدیل حجم زیادی از زباله های صنعتی به محصولات قابل فروش باز کند. این می تواند وابستگی به منابع تازه استخراج شده را کاهش دهد، ردپای زیست محیطی تولید مواد را کاهش دهد و منابع داخلی مواد معدنی حیاتی و عناصر خاکی کمیاب را افزایش دهد.

دانشجویان فارغ التحصیل و کارشناسی WPI از طریق تجربه همهجانبه STEM در این پروژه چند ساله شرکت خواهند کرد.

این تلاش پایداری، بیوتکنولوژی، علم مواد، علم داده و هوش مصنوعی را گرد هم می آورد. همچنین هدف آن کمک به ایجاد یک اکوسیستم گسترده‌تر از مواد مهندسی زیستی مبتنی بر سیلیکون با اتصال محققان، شرکای صنعتی، سیاست‌گذاران، مربیان و نوآوران آینده در رشته‌ها و بخش‌های مختلف است.