Bakterie pomagają w selektywnym odzyskiwaniu kluczowych surowców
Europa jest niemal całkowicie uzależniona od zewnętrznych dostaw metali ziem rzadkich, magnezu i metali z grupy platynowców. UE intensyfikuje wysiłki na rzecz zwiększenia niezależności, jednocześnie poprawiając zrównoważony rozwój górnictwa i wspierając gospodarkę o obiegu zamkniętym. Aby przyczynić się do realizacji tych celów, w ramach finansowanego przez UE projektu BIORECOVER opracowano rozwiązania oparte na biotechnologii w celu odzyskiwania surowców krytycznych z niewykorzystanych źródeł pierwotnych i wtórnych.
Wybrane minerały i metody odzyskiwania
Cristina Martínez z CETIM, lidera naukowego projektu, tłumaczy: „BIORECOVER koncentruje się na odzyskiwaniu trzech surowców krytycznych: metali ziem rzadkich z pozostałości boksytu (produkt odpadowy przetwarzania aluminium), magnezu (Mg) z minerałów niskiej jakości oraz metali z grupy platynowców z pozostałości procesu i rud niskiej jakości”. Wieloetapowy proces o skali półpilotażowej został przystosowany do docelowych metali i źródeł surowców krytycznych. Zespół BIORECOVER wyizolował i przebadał wiele bakterii z naturalnej populacji zamieszkującej pozostałości kopalniane i zbadał ich szczegółowe mechanizmy działania, w tym poprzez zbadanie ich DNA. Bakterie te wykorzystano następnie do usuwania zanieczyszczeń ze źródeł. Po wstępnym przetworzeniu następowała mobilizacja surowców krytycznych poprzez bioługowanie – ekstrakcję i solubilizację CRM przy użyciu biologicznie wytwarzanych kwasów mineralnych i organicznych – oraz immobilizację przez mikroorganizmy w celu wytworzenia bioodcieku wzbogaconego w docelowe surowce krytyczne. Innowacyjne metodologie pomogły w selektywnym odzyskiwaniu surowców krytycznych z bioodcieków zawierających wiele metali. Połączenie modelowania i testowania w syntetycznych i naturalnych roztworach zawierających surowce krytyczne pozwoliło na optymalizację procesu.
Tworzenie podstaw selektywnego odzyskiwania surowców krytycznych
Po procesie bioługowania zastosowano szereg zaawansowanych technologii, z których każda dotyczyła kluczowych etapów specyficznych dla trzech różnych grup surowców krytycznych badanych w ramach projektu. Te dostosowane podejścia umożliwiły optymalny odzysk i przetwarzanie w przypadku każdej grupy surowców krytycznych, podkreślając znaczenie precyzyjnego zastosowania technologii na kluczowych etapach procesu. Nowe mikrokapsułki do selektywnego odzyskiwania z bioodcieków wzbogaconych metalami ziem rzadkich pozwoliły osiągnąć maksymalny poziom odzysku wynoszących około 80% w przypadku itru i skandu. Maksymalny wskaźnik odzysku w przypadku neodymu wyniósł około 40%, a w przypadku lantanu i cezu około 20%. Wykorzystując dostępne na rynku mikrokapsułki polimerowe i roztwory syntetyczne, zespół BIORECOVER osiągnął selektywność 95% w przypadku itru. Kamień milowy w zakresie oczyszczania bioodcieków osiągnięto przy użyciu technologii elektroprecypitacji w celu wysoce skutecznego specyficznego odzysku Mg z bioodcieków Mg, co przełożyło się na maksymalny stopień odzysku wynoszący 100% i selektywność rzędu 92% w procesie oczyszczania. Końcowa czystość wodorotlenku magnezu (brucytu) sięgnęła prawie 90%. Z kolei biopolimer zmodyfikowany bakteryjnymi sideroforami ułatwił selektywne odzyskiwanie surowców krytycznych. Biopolimer ten umożliwił maksymalny odzysk odpowiednio około 78% i 58% platyny (Pt) i palladu z produktów ubocznych surowców krytycznych oraz około 98% i 92% selektywności w przypadku Pt i irydu z syntetycznych odcieków surowców krytycznych. „Mobilizacja surowców krytycznych z rudy o niskiej jakości była trudna ze względu na ogniotrwały charakter minerałów zawierających surowce krytyczne. Mimo to w projekcie BIORECOVER udało się osiągnąć wskaźnik mobilizacji złota na poziomie ponad 90%”, dodaje Martínez.
Zrównoważona przyszłość
Ocena cyklu życia (LCA), do który wykorzystano procesy i sprzęt laboratoryjny, dostarczyła ważnych informacji na temat zwiększania skali. „We wszystkich badanych ścieżkach odzysku zmniejszone zużycie energii ma kluczowe znaczenie dla ich rentowności w dużej skali – trzeba zmniejszyć zużycie energii elektrycznej w autoklawach i energii zużywanej do ogrzewania reaktorów”, wyjaśnia Martínez. To ostatnie można osiągnąć poprzez optymalizację czasu bioługowania, aby zrównoważyć zużycie energii bioreaktora w stosunku do zwiększonej mobilizacji surowców krytycznych. Ocena LCA wykazała, że pożywka i chemikalia do jej produkcji stanowią główne wąskie gardło środowiskowe w odzyskiwaniu metali ziem rzadkich z pozostałości boksytu. Wykorzystanie produktów ubocznych, takich jak wytłoczyny z trzciny cukrowej, wytłoczyny z winogron lub melasa, może zmniejszyć to zjawisko. Jeśli chodzi o odpady Mg, ich negatywny wpływ na środowisko wiąże się głównie z koniecznością sterylizacji pozostałości boksytu przed przetworzeniem. Opracowane w projekcie BIORECOVER biotechnologiczne ścieżki odzyskiwania surowców krytycznych z nieeksploatowanych źródeł przy mniejszym zużyciu energii, wody i odpadów torują drogę do bardziej zrównoważonych i bezpiecznych dostaw surowców krytycznych oraz lepszej przyszłości dla środowiska.
Słowa kluczowe
BIORECOVER, CRM, surowce krytyczne, metale, bioodciek, biotechnologia, bioługowanie, metale z grupy platynowców, pierwiastki ziem rzadkich, biopolimer
