Эффективный процесс переработки редкоземельных элементов с помощью биоэкстракции и биоаккумуляции
Исследователи из BOKU Tulln и IMC University of Applied Sciences Krems разрабатывают двухстадийный, экологичный и устойчивый процесс извлечения редкоземельных элементов (РЗЭ) из электронных отходов, совершенствуя методы биоэкстракции (bioleaching) и биоаккумуляции (bioaccumulation).
На этапе биоаккумуляции удалось достичь уровня извлечения металлов до 85% из электронного лома. Ключ к успеху — в комбинации биотехнологических процессов. Перспективные основы этих методов были недавно опубликованы в журнале Frontiers in Microbiology.
Рост спроса на электронику привел к увеличению объема отходов, содержащих РЗЭ. Большая часть этих отходов по-прежнему оказывается на свалках, несмотря на то, что РЗЭ являются важным источником сырья и даже классифицированы ЕС как критически важные материалы.
По сравнению с другими методами, микробиологические методы биоэкстракции и биоаккумуляции представляют собой перспективную «зеленую» альтернативу для извлечения критического сырья из электронных отходов. Они экономически эффективны, не производят опасных или загрязняющих вторичных отходов и потребляют меньше энергии.
«Ничто не возникает из ничего»: Тренировка для микробов
В процессе биоэкстракции участвовали бактерии разных видов, например, Acidithiobacillus thiooxidans и Alicyclobacillus disulfidooxidans. Они были собраны из кислого шахтного озера (pH 2.6) в Чехии, а затем выращены совместно в лаборатории. Эти ацидофильные и хемолитотрофные организмы процветают в кислой среде и получают энергию за счет окисления неорганических соединений.
В плане биоаккумуляции наиболее успешным накопителем РЗЭ оказалась Escherichia coli.
Основная практическая проблема — высокое содержание других металлов в электронных отходах, особенно железа, меди и алюминия, которые мешают биотехнологическому процессу. Чтобы преодолеть это, исследователи применили инновационный подход: «тренировку» микробов. С помощью устройства под названием morbidostat, разработанного в IST-Klosterneuburg, организмы постепенно привыкают к более высоким концентрациям металлов.
Эффективность по стадиям
Современные методы извлечения РЗЭ основаны на химических процессах, которые связаны с образованием вредных для окружающей среды побочных продуктов. Комбинация биотехнологических методов имеет явные преимущества, так как и выщелачивание, и накопление в клетках бактерий являются экологически чистыми и устойчивыми, и на любом этапе процесса не образуются опасные или загрязняющие вещества.
Однако для преодоления большого разнообразия состава электронных отходов необходимы дальнейшие исследования. Технология должна работать таким образом, чтобы результаты были воспроизводимыми и надежными, даже если концентрация мешающих металлов меняется.
Исследователи из BOKU и IMC Krems используют несколько стратегий для достижения этой цели. Одна из них — акклиматизация бактерий, ответственных за биоэкстракцию и биоаккумуляцию, к высоким концентрациям мешающих металлов с помощью системы morbidostat. Другая стратегия — тестирование систем, способных снизить концентрацию мешающих металлов, например, лигниновых гидрогелей, разработанных в BOKU.
Комбинация этих стратегий направлена на обеспечение эффективности и устойчивости инновационного сочетания биоэкстракции и биоаккумуляции для разработки нового экологичного метода рециклинга дефицитных редкоземельных элементов.