Американские ученые открыли новый революционный метод извлечения редкоземельных элементов с помощью белка

В наши дни в новостях очень много говорится о редкоземельных элементах или РЗЭ. Это потому, что Китай продолжает контролировать 96% мировых запасов РЗЭ, которые имеют решающее значение для современных технологий, включая американский истребитель-невидимку F-35. Китай является крупнейшим в мире производителем редкоземельных элементов, ценной группы из 17 минералов, используемых в бытовой электронике и военном оборудовании.

И США, и ЕС изо всех сил пытаются сократить этот разрыв, но ясно, что Китай сохранит свое доминирующее положение в отношении РЗЭ на долгие годы, хотя до сих пор он не использовал это в качестве козыря политического торга. Дело в том, что хотя РЗЭ на самом деле не редкость, они, как правило, тонко рассредоточены по земной коре, а не концентрируются в одном месте, что ограничивает возможности их крупномасштабной добычи. И элементы часто находятся вместе в земле и имеют схожий химический состав, что требует процессов разделения, требующих большого количества энергии и органических растворителей. Эти трудности означают, что извлечение и отделение РЗЭ от чего-либо, кроме высокосортных руд, с использованием существующей технологии нецелесообразно с экономической точки зрения и экологически безвредно.

Те же проблемы возникают и с отходами, содержащими низкие, но потенциально ценные концентрации РЗЭ, включая золу, оставшуюся при сжигании угля, стоки с шахт и отработанные электронные устройства. Американские ученые говорят, что ланмодулин может извлекать и очищать технические металлы из электронных отходов и угольной золы

Группа под руководством Джозефа А. Котруво-младшего из Университета штата Пенсильвания и Дэна М. Парка из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в настоящее время разработала альтернативный процесс, позволяющий извлекать эти источники без использования органических растворителей, улучшая доступ к РЗЭ и помогая избежать промышленных отходов, как сообщают «Новости химического и инженерного дела». По словам ученых, белок, связывающий РЗЭ, можно использовать для извлечения и отделения этих ценных металлов из низкосортных источников, таких как угольная зола или даже электронные отходы.

РЗЭ включают 15 лантаноидов, а также скандий и иттрий, и многие из них пользуются большим спросом для таких продуктов, как электромобили, ветряные турбины и светодиоды. Новый процесс основан на ланмодулине, небольшом кислотоустойчивом белке с очень сильным сродством к лантаноидам. Его вырабатывают определенные переваривающие метан бактерии. Исследователи прикрепили белок к пористым микрошарикам в колонке.

Когда кислотный раствор ионов металлов проходит через колонку, ланмодулин улавливает РЗЭ из раствора, позволяя другим, таким как медь или цинк, проходить сквозь колонку, говорится в научном отчете. Затем РЗЭ можно высвободить, изменив pH раствора или добавив противоион, такой как цитрат, для хелатирования РЗЭ. По словам Котруво, кислоту, полученную в процессе, и сами колонки можно многократно использовать повторно.

Команда проверила очистную колонну на растворе, выщелоченном из угольной золы. Одного прохода через колонку было достаточно для получения обогащенного раствора, в котором 88% ионов металлов были РЗЭ, что в 2000 раз улучшило чистоту. «Это впечатляет, потому что содержание редкоземельных элементов в нем составляет менее 0,1%, так что это действительно серьезная модернизация», — говорит Котруво.

Тщательно регулируя pH, исследователи смогли выделить РЗЭ из колонки двумя отдельными партиями, содержащими более легкие и более тяжелые РЗЭ соответственно. Этот метод также может полностью разделить смеси двух РЗЭ, включая неодим и диспрозий, которые обычно встречаются вместе в электронных отходах, содержащих редкоземельные магниты, говорится в отчете. «Если мы собираемся перерабатывать электронные отходы, это одна из самых важных операций по сортировке», — говорит Котруво.

Начиная с раствора, имитирующего состав таких отходов, исследователи использовали несколько циклов разделения для извлечения более 80% каждого элемента, каждый с чистотой более 99%. «Это прекрасная демонстрация того, как можно использовать природную систему, практически без изменений, для решения этой проблемы разделения лантаноидов», — говорит химик по биоорганическим соединениям Лена Дж. Дауманн из Университета Людвига Максимилиана в Мюнхене, — «Этот основанный на белке подход, если его масштабировать и оптимизировать для непрерывного процесса, может стать действительно многообещающим методом для низкосортных источников».

РЗЭ почти повсеместно используются в современных технологиях, потому что они невероятно полезны. Это «химические витамины», — говорит Дэниел Кордье, специалист по минеральным ресурсам для редкоземельных элементов Геологической службы США, — «Они помогают всем работать лучше, и у них есть свои уникальные характеристики, особенно с точки зрения магнетизма, термостойкости и устойчивости к коррозии».

Эти характеристики помогли REE найти свой дом везде, от плоских телевизоров и смартфонов до антиблокировочных тормозов и подушек безопасности в автомобилях, от солнцезащитных очков и кристаллов до лазеров и умных бомб. По данным Министерства обороны, каждый новейший истребитель F-35 требует 920 фунтов редкоземельного материала. Каждый эсминец Arleigh Burke DDG-51 требует 5200 фунтов. Подводной лодке типа SSN-774 «Вирджиния» требуется 9 200 фунтов РЗЭ.

Однако существует множество проблем для окружающей среды и здоровья, связанных с производством, переработкой и использованием РЗЭ. Вот почему открытие Котруво может иметь огромное значение. В более крупном масштабе несколько разделительных колонок могут быть связаны для непрерывной работы, а настройка условий, таких как pH, скорость потока и другие факторы, также должны улучшить производительность колонки.

DAVE MAKICHUK