В угольной золе США могут скрываться редкоземельные элементы на миллиарды долларов

Угольная зола, красный шлам и хвосты горнодобычи обычно считаются серьёзной проблемой отходов. Однако эти огромные потоки отходов содержат ценные материалы, включая кремнезём, редкоземельные элементы и другие критически важные минералы.

Исследовательская группа под руководством Вустерского политехнического института (WPI) получила грант в размере $3,3 млн (около 264000 руб.) от программы Growing Convergence Research Национального научного фонда США для изучения того, могут ли биологические стратегии диатомовых водорослей, морских губок и растений помочь извлечь эти ресурсы с меньшими затратами энергии и меньшим использованием агрессивных химикатов.

Пятилетний двухэтапный проект возглавляет Минцзян Тао, доцент кафедры гражданского, экологического и архитектурного строительства WPI. Профессора Кэррик Эгглстон и Янь Ван выступают со-руководителями. Также участвуют исследователи из Университета Джорджа Мейсона, Калифорнийского университета в Сан-Диего, Массачусетского университета в Амхерсте и Университета в Буффало.

«Извлечение критически важных минералов — лишь часть возможности, — сказал Тао. — Мы хотим разработать процесс, который использует как можно большую часть каждого потока отходов, отделяя стратегически важные элементы и превращая оставшийся материал в полезные продукты. Такой подход к целостному использованию материала может принципиально изменить то, как отрасли управляют отходами и получают необходимые ресурсы».

Ценные минералы, скрытые в отходах

Проект призван решить две связанные проблемы.

Многие материалы на основе кремния, используемые в бетоне, стекле, керамике, полупроводниках и силиконах, требуют высоких температур, больших затрат энергии и интенсивной химической обработки. В то же время промышленность производит огромные объёмы богатых кремнием отходов, включая остатки угольной золы, красный шлам, хвосты горнодобычи, обломки бетона, стеклобой и металлургический шлак.

Большая часть этого материала оказывается на свалках, в прудах-накопителях и огромных отвалах, хотя может содержать полезный кремний, критически важные минералы и редкоземельные элементы (РЗЭ).

Одна оценка предполагает, что 11 млн тонн РЗЭ, заключённых в хранилищах угольной золы в США, стоят $8,4 млрд (около 672000 руб.) — почти в восемь раз больше текущих сырьевых запасов страны. Редкоземельные элементы и другие критически важные минералы важны для электроники, чистых энерготехнологий, транспорта и национальной безопасности.

Обращение к природе за более чистым подходом

Чтобы найти лучший способ извлечения этих материалов, исследователи обращаются к биологии.

Диатомовые водоросли, морские губки и некоторые растения используют биологические молекулы и органические каркасы для сбора растворённого кремния и построения сложных кремнезёмных структур в относительно мягких условиях. Команда надеется адаптировать эти природные процессы для создания менее энергозатратных методов разложения богатых кремнием промышленных отходов.

Цель — не только высвободить редкоземельные элементы и другие критически важные минералы, заключённые внутри материала, но и превратить сам кремнезём в полезные продукты.

ИИ и биомолекулы могут ускорить открытия

Проект объединяет экспертизу в области биологии, геохимии, материаловедения, металлургии, инженерии, вычислительной химии и искусственного интеллекта.

Исследователи планируют использовать передовое компьютерное моделирование и искусственный интеллект для проектирования специализированных биомолекул и прогнозирования их взаимодействия с богатыми кремнием отходами. Эти инструменты помогут быстрее выявить перспективные подходы к извлечению минералов и производству материалов.

Как ведущий руководитель проекта, Тао будет управлять и координировать проект в целом, а также направлять исследования по биосилицификации — процессу, посредством которого организмы формируют кремнезёмные материалы, — и био-металлургии для извлечения редкоземельных элементов из богатых кремнием отходов.

Эгглстон, профессор кафедры гражданского, экологического и архитектурного строительства с экспертизой в геохимии, возглавит работу по пониманию и оптимизации химических реакций, связанных с разложением и восстановлением силикатных материалов.

Его исследования будут изучать пути реакций и скорости, связанные с растворением силикатов, реполимеризацией, карбонизацией, стеклообразованием и синтезом силиконов.

Ван, профессор машиностроения и материаловедения имени Уильяма Б. Смита и широко признанный пионер в области переработки батарей и устойчивого производства, возглавит разработку биоинженерных методов извлечения редкоземельных элементов и других критически важных минералов.

Превращение промышленных отходов в товарные продукты

Исследователи также изучат, можно ли масштабировать технологии экономически и практически для промышленного использования.

Если подход окажется успешным, он может открыть новые способы превращения больших объёмов промышленных отходов в товарные продукты. Это может снизить зависимость от вновь добываемых ресурсов, уменьшить экологический след производства материалов и укрепить внутренние поставки критически важных минералов и редкоземельных элементов.

Аспиранты и студенты WPI примут участие в многолетнем проекте в рамках иммерсивного STEM-опыта университета.

Проект объединяет устойчивое развитие, биотехнологии, материаловедение, науку о данных и искусственный интеллект. Он также направлен на создание более широкой экосистемы биоинженерных материалов на основе кремния путём объединения исследователей, промышленных партнёров, политиков, educators и будущих инноваторов из разных дисциплин и секторов.

Источники:

Материалы предоставлены Вустерским политехническим институтом.