Вугільна зола, червоний шлам і шахтні хвости зазвичай вважаються основними проблемами відходів. Однак ці величезні потоки відходів також містять цінні матеріали, включаючи кремній, рідкоземельні елементи та інші важливі мінерали.
Дослідницька група під керівництвом Вустерського політехнічного інституту (WPI) отримала нагороду в розмірі 3,3 мільйона доларів від Програми дослідження зростаючої конвергенції Національного наукового фонду, щоб дослідити, чи можуть біологічні стратегії, які використовують діатомові водорості, морські губки та рослини, допомогти відновити ці ресурси з меншою кількістю енергії та менш агресивними хімікатами.
П’ятирічні роботи, що складаються з двох етапів, очолює Мінцзянь Тао, доцент кафедри цивільної, екологічної та архітектурної інженерії WPI. Професори Керрік Егглстон і Ян Ван є головними дослідниками. Дослідники з Університету Джорджа Мейсона, Університету Каліфорнії в Сан-Дієго, Університету Массачусетса в Амгерсті та Університету в Буффало також беруть участь.
«Відновлення основних мінералів — це лише частина можливостей», — сказав Тао. «Ми хочемо розробити процес, який максимально використовує кожен потік відходів, відокремлює стратегічно важливі елементи та перетворює матеріали, що залишилися, на корисні продукти. Цей підхід до цілісних матеріалів може фундаментально змінити спосіб управління відходами та отримання критичних ресурсів».
У відходах заховані цінні мінерали
Проект покликаний вирішити дві пов’язані проблеми.
Для виробництва багатьох кремнієвих матеріалів, які використовуються в бетоні, склі, кераміці, напівпровідниках і силіконах, потрібні високі температури, велика кількість енергії та інтенсивна хімічна обробка. У той же час промисловість виробляє велику кількість багатих кремнієм відходів, включаючи залишки вугілля, червоний шлам, відходи шахт, бетон, відходи скла та металургійні шлаки.
Значна частина цього матеріалу потрапляє на звалища, ставки, водойми та великі звалища, хоча він може містити корисний кремній, важливі мінерали та рідкоземельні елементи (РЗЕ).
Згідно з оцінками, 11 мільйонів тонн РЗЕ, які зберігаються на звалищах вугільної золи в США, коштують 8,4 мільярда доларів, що приблизно у вісім разів перевищує поточні внутрішні запаси країни. Рідкоземельні елементи та інші важливі мінерали важливі для електроніки, екологічно чистих енергетичних технологій, транспорту та національної безпеки.
Дивлячись на природу для більш чистого підходу
Щоб знайти кращий спосіб відновлення цього матеріалу, дослідники звертаються до біології.
Діатомові водорості, морські губки та деякі рослини використовують біологічні молекули та органічні породи для збору розчиненого кремнію та створення складних кремнієвих структур у відносно м’яких умовах. Команда сподівається адаптувати ці природні процеси для створення низькоенергетичних методів розщеплення багатих кремнієм промислових відходів.
Мета полягає не лише у вивільненні рідкоземельних елементів та інших важливих мінералів, вбудованих у матеріал, а й у перетворенні самого кремнію на корисний продукт.
ШІ та біомолекули можуть прискорити відкриття
Проект поєднує досвід у галузі біології, геохімії, матеріалознавства, металургії, машинобудування, обчислювальної хімії та штучного інтелекту.
Дослідники планують використовувати передове обчислювальне моделювання та штучний інтелект, щоб розробити конкретні біомолекули та передбачити, як вони взаємодіятимуть із багатими на кремній відходами. Ці інструменти можуть допомогти команді швидше визначити перспективні підходи до видобутку корисних копалин і матеріалів.
Як головний дослідник, Тао керує та координує загальний проект, а також очолює дослідження біокремнефікації, процесу, за допомогою якого організми утворюють кремнієві матеріали, та біометалургії для відновлення рідкоземельних елементів із багатих кремнієм відходів.
Егглстон, професор кафедри цивільної, екологічної та архітектурної інженерії з досвідом геохімії, керує роботою, спрямованою на розуміння та оптимізацію хімічних реакцій, пов’язаних із руйнуванням та відновленням силікатних матеріалів.
Його дослідження вивчає шляхи реакцій і швидкості, пов’язані з розчиненням силікату, реполімеризацією, карбонізацією, склоутворенням і синтезом силікону.
Ванг, Вільям Б. професор машинобудування та інженерії матеріалів. Сміт, широко визнаний піонер у переробці акумуляторів і екологічному виробництві, очолить розробку методів біоінженерії для відновлення рідкоземельних елементів та інших важливих мінералів.
Перетворення промислових відходів на товарну продукцію
Дослідники також вивчають, чи можна економічно та практично розширити технології для промислового використання.
Якщо цей підхід принесе успіх, це може відкрити нові шляхи перетворення великих обсягів промислових відходів на товарну продукцію. Це може зменшити залежність від нещодавно видобутих ресурсів, зменшити вплив матеріального виробництва на навколишнє середовище та посилити внутрішні постачання основних мінералів і рідкоземельних елементів.
Аспіранти та студенти WPI візьмуть участь у багаторічному проекті через веселий досвід STEM в університеті.
Ці зусилля поєднують стійкість, біотехнології, матеріалознавство, науку про дані та штучний інтелект. Він також допомагає побудувати ширшу біоінженерію та екосистему на основі кремнію, об’єднуючи дослідників, галузевих партнерів, політиків, викладачів і майбутніх інноваторів у багатьох секторах і секторах.
