Nadir Toprak Elementlerini Gübre Yan Ürünlerinden Sürdürülebilir Madencilik
İsimlerine rağmen, nadir toprak elementleri aslında o kadar da nadir değildir. NS 17 metalik element doğada her yerde bulunur ve mikroçiplerin ve daha fazlasının kritik bir bileşeni olarak teknolojide daha da yaygın hale gelir. “Nadir” açıklama, kullanılabilir bir forma çıkarmanın ne kadar zor olduğuyla ilgilidir. Bunları kompozit minerallerden çekmek için kullanılan normal teknik, tipik olarak enerji yoğundur ve önemli karbon emisyonları üretir ve nadir toprak elementlerinin büyük bir kısmı diğer endüstriyel işlemlerden kaynaklanan atıklarda kaybolur.
Gübre üretiminin bir yan ürünü olan fosfojipsten nadir toprak elementlerini alabilen daha sürdürülebilir bir süreç geliştirmek için, Penn State araştırmacılarına Case Western Reserve Üniversitesi ve Clemson Üniversitesi ile toplamda bir işbirliğinin parçası olarak dört yıllık 571.658 $ Ulusal Bilim Vakfı hibesi verildi. 1,7 milyon dolarlık finansman. Her üniversite, projenin belirli bir yönünü takip etmek için bağımsız olarak finanse edilir, ancak proje, Case Western Reserve’deki araştırmacılar tarafından merkezi olarak koordine edilir. Kimya mühendisliği doçenti Lauren Greenlee, kimya mühendisliği yardımcı doçenti olan ortak araştırmacı Rui Shi ile Penn State çabalarına liderlik ediyor.
Greenlee, “Bugün, tahminen 200.000 ton nadir toprak elementi, yalnızca Florida’da işlenmemiş fosfojips atıklarında tutuluyor” dedi ve fosfoalçının sınırsız depolama için hendeklere ve göletlere borulandığını açıkladı. “Bu nadir toprak elementleri kaynağı, radyoaktif türlerle ilgili zorluklar ve bireysel elementleri ayırmanın zorluğu nedeniyle şu anda kullanılmıyor. Bu projenin vizyonu, nadir toprak elementleri, gübreler ve temiz su da dahil olmak üzere değerli kaynakları gübre endüstrisinin atık akışlarından kurtarmak için yeni ayırma mekanizmaları, malzemeler ve süreçler keşfetmek ve sürdürülebilir bir yerli nadir toprak elementi tedarikinin yolunu açmaktır. ve sürdürülebilir bir tarım sektörü.”
Greenlee ayrıca Amerika Birleşik Devletleri’nin nadir toprak elementi tedarikleri için büyük ölçüde uluslararası kaynaklara güvendiğini ve COVID-19 pandemi, tedarik zincirlerinde uzun gecikmelere neden oldu.
Greenlee, “Nadir toprak elementlerini uluslararası olarak elde etmenin ve kullanmanın ekonomik, çevresel ve güvenlik karmaşıklıklarıyla birleşen önemli bir sorun” dedi.
Fosfojips, fosfat kayası gübre olarak işlendiğinde oluşur ve uranyum ve toryum gibi az miktarda doğal olarak oluşan radyoaktif elementler içerir. Bu radyoaktivite nedeniyle yan ürün süresiz olarak depolanır ve uygun olmayan depolama toprağı, suyu ve atmosferi kirletebilir. Fosfojipste sıkışan nadir toprak elementlerini hasat etmek için araştırmacılar, nadir toprak elementlerini özel bir zar aracılığıyla kesin olarak tanımlayabilen ve ayırabilen mühendislik ürünü peptitleri kullanan çok aşamalı bir süreç önermektedir.
Greenlee, “Bireysel nadir toprak elementleri benzer boyutlara ve aynı resmi yüklere sahiptir, bu nedenle geleneksel membran ayırma mekanizmaları yetersizdir.” Dedi. “Bu araştırmanın önemli bir teknik amacı, peptit iyon seçiciliğini destekleyen mekanizmaları keşfetmek ve bu mekanizmalardan yüksek seçiciliğe sahip yeni bir membran sınıfı tasarlamak için yararlanmaktır.”
Case Western Reserve araştırmacıları, baş araştırmacı ve kimya mühendisliği yardımcı doçenti Christine Duval ve yardımcı araştırmacı ve kimya ve biyomoleküler mühendislik yardımcı doçenti Julie Renner, belirli nadir toprak elementlerine kilitlenecek molekülleri geliştirecekler. Tasarımları, Clemson’da kimya ve biyomoleküler mühendisliğinin baş araştırmacısı ve doçent olan Rachel Getman’ın hesaplamalı modelleme çalışması tarafından yönlendirilecek. Peptitler geliştirildikten sonra Greenlee, su çözümlerinde nasıl çalıştıklarını araştıracak, Shi ise önerilen nadir toprak elementlerinin çevresel etkilerini ve ekonomik fizibilitesini değerlendirmek için tekno-ekonomik analiz ve yaşam döngüsü değerlendirmesi dahil sistem analiz araçlarını kullanacak – geri kazanım çeşitli tasarım ve çalışma koşulları altında sistem.
“Bu sürecin genel sürdürülebilirlik etkileri nelerdir?” diye sordu. “Daha sürdürülebilir olmak için mevcut çevresel etkilerden uzaklaşmak istiyoruz ve bunu temel araştırmaları ve laboratuvar ölçeğindeki sonuçları sistem düzeyinde çevresel ve ekonomik etkilere çevirerek yapabiliriz. Ardından, nadir toprak elementi geri kazanımını ve fosfojips işlemeyi ilerletirken gelecekteki araştırma hedeflerine rehberlik etmek için sürdürülebilirlik sonuçlarını tasarıma geri entegre edebiliriz.”
Önerilen proje aynı zamanda diğer Penn State araştırmalarını da tamamlayacak. doğal olarak oluşan protein molekülleri diğer endüstriyel atık kaynaklarından gruplandırılmış nadir toprak elementlerini çıkarmak.
Greenlee, “Projemiz için, hipotezimiz, nadir toprak elementlerine bağlanan peptitlerle ilişkili su moleküllerinin yeniden düzenlenmesi ve bu yeniden düzenlemenin, bireysel nadir toprak elementine dayalı olarak daha verimli olmasını tam olarak kontrol edebilmemizdir” dedi. Moleküllerin bağlanırken atomları nasıl değiştirdiğini doğrulamak için X-ışını absorpsiyon spektroskopisini kullanarak atom seviyesindeki etkileşimleri inceleyecektir. “Modelleme ve deneylerle, moleküllerin birlikte nasıl çalıştığını anladığımızdan emin olmak için yinelemeye devam edeceğiz.”
.