Зола от сжигания угля, красный шлам и хвосты горнодобычи обычно воспринимаются как серьёзная проблема отходов. Однако эти огромные потоки отходов содержат ценные материалы, включая кремний, редкоземельные элементы и другие критически важные минералы. Исследовательская группа под руководством Вустерского политехнического института (WPI) получила грант в размере 3,3 миллиона долларов от программы Growing Convergence Research Национального научного фонда США. Цель проекта — выяснить, могут ли биологические стратегии, используемые диатомовыми водорослями, морскими губками и растениями, помочь извлекать эти ресурсы с меньшими затратами энергии и без агрессивных химикатов.
Пятилетний двухэтапный проект возглавляет Минцзян Тао, доцент кафедры гражданского, экологического и архитектурного строительства WPI. Профессора Кэррик Эгглстон и Янь Ван выступают соисследователями. В работе также участвуют специалисты из Университета Джорджа Мейсона, Калифорнийского университета в Сан-Диего, Массачусетского университета в Амхерсте и Университета в Буффало. Как отметил Тао, извлечение критических минералов — лишь часть возможности: «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 коренным образом изменить то, как отрасли управляют отходами и получают необходимые ресурсы».
Проект призван решить две связанные проблемы. Многие кремниевые материалы, применяемые 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. Значительная часть этих материалов оказывается на свалках, в прудах-накопителях, отстойниках и огромных отвалах, хотя может содержать полезный кремний, критические минералы и редкоземельные элементы (РЗЭ). По одной из оценок, 11 миллионов тонн РЗЭ, заключённых в золоотвалах угольных электростанций США, стоят 8,4 миллиарда долларов — почти в восемь раз больше текущих сырьевых запасов страны. Редкоземельные элементы и другие критические минералы важны для электроники, чистых энергетических технологий, транспорта и национальной безопасности.
Чтобы найти более эффективный 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 кремнезёмом промышленных отходов. Цель — не только высвободить редкоземельные элементы и другие критические минералы, заключённые в материале, но и превратить сам кремнезём в полезные продукты.
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 разработки специализированных биомолекул и прогнозирования их взаимодействия с богатыми кремнием отходами. Эти инструменты помогут быстрее выявлять перспективные подходы к извлечению минералов и производству материалов. Как ведущий исследователь, Тао будет координировать проект в целом, а также руководить работами по биокремнезёмному осаждению — процессу, с помощью которого организмы формируют кремнезёмные материалы, — и биоактивированной металлургии для извлечения редкоземельных элементов из богатых кремнием отходов. Эгглстон, профессор той же кафедры с экспертизой в геохимии, возглавит работы по пониманию и оптимизации химических реакций, связанных с разрушением и восстановлением силикатных материалов. Его исследования будут изучать пути и скорости реакций растворения силикатов, повторной полимеризации, карбонизации, образования стекла и синтеза силиконов. Ван, профессор машиностроения и материаловедения имени Уильяма Б. Смита и признанный пионер в области переработки батарей и устойчивого производства, возглавит разработку биоинженерных методов извлечения редкоземельных элементов и других критических минералов.
Исследователи также изучат, можно ли масштабировать эти технологии экономически и практически для промышленного использования. В случае успеха подход может открыть новые способы превращения больших объёмов промышленных отходов в востребованные на рынке продукты. Это позволит снизить зависимость от вновь добываемых ресурсов, уменьшить экологический след производства материалов и укрепить внутренние поставки критических минералов и редкоземельных элементов. В многолетнем проекте примут участие аспиранты и студенты WPI в рамках университетской программы погружения в STEM. Проект объединяет устойчивое развитие, биотехнологии, материаловедение, науку о данных и искусственный интеллект. Он также нацелен на создание более широкой биоинженерной экосистемы кремниевых материалов за счёт объединения исследователей, промышленных партнёров, политиков, педагогов и будущих новаторов из разных дисциплин и секторов. Источник: ScienceDaily.