Биологическая вторичная переработка отходов высоких технологий

Другие возможности предоставляют биокомпозиты, они пригодны для вторичной переработки и могут быть снова и снова использованы в процессах разделения. Высвобождение металлов происходит непосредственно через метаболизм микроорганизмов или косвенно через продукты их метаболизма

Галлий - редкий металл, однако он крайне востребован в высокотехнологичной промышленности. Такое сочетание делает вторичную переработку галлия незаменимым процессом. Существующие процессы восстановления галлия для повторного использования стоят дорого и образуют большое количество химических загрязнений.

Биотехнологические подходы используют пептиды, которые связывают металлические частицы, минералы и ионы металлов экологически безопасным способом и разделяют их в определенном порядке. Ученые из Институт ресурсных технологий Гельмгольца во Фрайберге (HIF) показали [1], как материал на основе пептидов извлекает галлий из производственных отходов и сточных вод в полупроводниковой промышленности.

Мир высоких технологий был бы немыслим без редкоземельных металлов. Они присутствуют во многих устройствах и системах. Многие из этих металлов редко встречаются в природе и их трудно добывать. Селективная биосорбция, то есть способность определенных микроорганизмов, таких как бактерии, дрожжи, грибы и водоросли, обогащаться металлами или ионами металлов, является подходящим вариантом извлечения галлия из промышленных отходов.

Этот высокотехнологичный металл содержится, например, в светодиодах и солнечных элементах. Им покрывают зеркала и с его помощью диагностируют опухоли в медицине. Но его главная область применения - полупроводниковая промышленность. Большая часть галлия в промышленных процессах теряется. Промышленные отходы представляют собой гораздо более богатый и важный источник галлия, чем ископаемый материал.

Предыдущие процессы вторичной переработки галлия были основаны в большей мере на химическом электролизе. В результате этого очень энергоемкого процесса образуется вода, в которой растворяются ценные вещества. Другие возможности предоставляют биокомпозиты, они пригодны для вторичной переработки и могут быть снова и снова использованы в процессах разделения. Высвобождение металлов происходит непосредственно через метаболизм микроорганизмов или косвенно через продукты их метаболизма.

«Биомасса связывает определенные ионы или другие молекулы в водном растворе или концентрирует их. Биосорбция не зависит от метаболической активности и не требует поступления питательных веществ. Это позволяет использовать биосорбцию даже в высокотоксичных средах. Биосорбция является экологически чистым способом извлечения металлов из промышленных сточных вод, растворов для выщелачивания или шахтных вод». Остаётся найти подходящие биомолекулы.

Пептиды как удочка

Ученые из Фрайберга разрабатывают материалы для биосорбции, которые распознают отдельные элементы, избирательно связывают их и удаляют из растворов. Для этого используют пептиды - небольшие белки, состоящие из аминокислот. «Пептиды маленькие и прочные, поэтому они особенно подходят для этих целей. В природе существует 20 аминокислот, которые обладают разными свойствами и могут связываться вместе в свободно объединенную пептидную цепь. Получаются биомолекулы, которые могут прилепляться к любой мыслимой поверхности с очень точной избирательностью».

Этот метод ориентирован на бактериофаги, то есть вирусы, которые специализируются на заражении бактерий. Пептиды, специально подобранные для конкретных элементов, прочно закреплены на материале-носителе с определенными свойствами. Биокомпозиты «ловят» целевые вещества из сложной смеси материалов за счет уникальных пептидных структур. Таким образом, пептиды селективно извлекают металлы.

Биотехнологический метод с галлий-связывающими пептидами

В рамках проекта, в котором проводилось извлечение галлия из производственных сточных вод полупроводниковой промышленности, была подробно рассмотрена структура галлий-связывающих пептидов. «Была использована методика отбора пептидов, при которой они связываются с конкретной мишенью. С помощью этого процесса выделяются специализированные пептиды, которые захватывают именно ионы галлия».

«В ходе исследований для осуществления биосорбции фильтрующий материал на основе пептидов был упакован в колонну, создав своего рода галлиевый фильтр, через который просачивались сточные воды. Материал можно назвать эффективным, если он удерживает максимально высокий процент галлия в фильтрующем элементе, в то время как другие загрязнения, содержащиеся в технологических сточных водах, прежде всего мышьяк, просто стекают в сторону. Далее галлий, связанный с фильтрующим материалом, отделяется от колонны для извлечения».

«Использование биологических систем расширяет набор ресурсных технологических возможностей в традиционных металлургических процессах». Однако этот метод требует дальнейшего развития, чтобы его использовать в промышленности.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2021.125366

Источник: HZDR