Les ingénieurs de Penn State ont reçu une subvention de la National Science Foundation pour récupérer des éléments de terres rares à partir de phosphogypse, un sous-produit d’engrais stocké indéfiniment dans des décharges à ciel ouvert et pompé dans des lacs désignés, illustrés ici.
Malgré leur nom, les éléments des terres rares ne sont pas si rares. Les 17 éléments métalliques sont omniprésents dans la nature et deviennent encore plus courants dans la technologie, en tant que composant essentiel des puces électroniques et plus encore. La description « rare » concerne la difficulté à les extraire sous une forme utilisable. La technique normale pour les extraire des minéraux composites est généralement énergivore et produit d’importantes émissions de carbone, et une grande partie des éléments des terres rares sont perdues dans les déchets d’autres processus industriels.
Pour développer un processus plus durable qui peut extraire des éléments de terres rares du phosphogypse, un sous-produit de la production d’engrais, les chercheurs de Penn State ont reçu une subvention de la National Science Foundation de 571 658 $ sur quatre ans dans le cadre d’une collaboration avec Case Western Reserve University et Clemson University totalisant 1,7 million de dollars de financement. Chaque université est financée de manière indépendante pour poursuivre un aspect spécifique du projet, mais le projet est coordonné de manière centrale par des chercheurs de Case Western Reserve. Lauren Greenlee, professeur agrégé de génie chimique, dirige l’effort de Penn State avec le co-chercheur principal Rui Shi, professeur adjoint de génie chimique.
“Aujourd’hui, on estime que 200 000 tonnes d’éléments de terres rares sont piégées dans des déchets de phosphogypse non traités en Floride seulement”, a déclaré Greenlee, expliquant que le phosphogypse est acheminé vers des fossés et des étangs pour un stockage indéfini. « Cette source d’éléments de terres rares est actuellement inexploitée en raison des défis associés aux espèces radioactives et de la difficulté de séparer les éléments individuels. La vision de ce projet est de découvrir de nouveaux mécanismes, matériaux et procédés de séparation pour récupérer des ressources précieuses, y compris des éléments de terres rares, des engrais et de l’eau propre, à partir des flux de déchets de l’industrie des engrais, ouvrant la voie à un approvisionnement domestique durable en éléments de terres rares. et un secteur agricole durable.
Greenlee a également noté que les États-Unis dépendent en grande partie de sources internationales pour l’approvisionnement en éléments de terres rares, et le COVID-19[feminine La pandémie a causé de longs retards dans les chaînes d’approvisionnement.
“C’est un problème important qui est aggravé par les complexités économiques, environnementales et de sécurité de l’obtention et de l’utilisation d’éléments de terres rares à l’échelle internationale”, a déclaré Greenlee.
Le phosphogypse se forme lorsque la roche phosphatée est transformée en engrais et contient de petites quantités d’éléments radioactifs naturels, tels que l’uranium et le thorium. En raison de cette radioactivité, le sous-produit est stocké indéfiniment et un stockage inapproprié peut contaminer le sol, l’eau et l’atmosphère. Pour récolter les éléments de terres rares piégés dans le phosphogypse, les chercheurs proposent un processus en plusieurs étapes utilisant des peptides modifiés capables d’identifier et de séparer avec précision les éléments de terres rares à travers une membrane spécialisée.
“Les éléments individuels des terres rares ont des tailles similaires et des charges formelles identiques, de sorte que les mécanismes traditionnels de séparation par membrane sont insuffisants”, a déclaré Greenlee. « Un objectif technique clé de cette recherche est de découvrir les mécanismes qui sous-tendent la sélectivité des ions peptidiques et de tirer parti de ces mécanismes pour concevoir une nouvelle classe de membranes hautement sélectives. »
Les chercheurs de Case Western Reserve, Christine Duval, chercheuse principale et professeure adjointe de génie chimique, et Julie Renner, co-chercheuse principale et professeure adjointe de génie chimique et biomoléculaire, développeront les molécules pour s’accrocher à des éléments spécifiques des terres rares. Leur conception sera guidée par les travaux de modélisation informatique de Rachel Getman, chercheuse principale et professeure agrégée de génie chimique et biomoléculaire à Clemson. Une fois les peptides développés, Greenlee étudiera leur fonctionnement dans les solutions aqueuses, tandis que Shi utilisera des outils d’analyse des systèmes, y compris l’analyse technico-économique et l’évaluation du cycle de vie, pour évaluer les impacts environnementaux et la faisabilité économique de la récupération proposée des éléments des terres rares. système dans diverses conditions de conception et de fonctionnement.
« Quelles sont les implications globales de durabilité de ce processus ? » demanda Shi. « Nous voulons nous éloigner des impacts environnementaux actuels pour être plus durables, et nous pouvons le faire en traduisant les résultats de la recherche fondamentale et de l’échelle du laboratoire en impacts environnementaux et économiques au niveau des systèmes. Ensuite, nous pouvons réintégrer les résultats de la durabilité dans la conception pour orienter les futures cibles de recherche tout en faisant progresser la récupération des éléments des terres rares et le traitement du phosphogypse. »
Le projet proposé complétera également d’autres recherches de l’État de Pennsylvanie, y compris des travaux utilisant molécules de protéines naturelles pour extraire des éléments de terres rares regroupés à partir d’autres sources de déchets industriels.
“Pour notre projet, l’hypothèse est que les molécules d’eau associées aux peptides se liant aux éléments de terres rares se réorganisent, et nous pouvons contrôler avec précision cette réorganisation pour être plus efficace en fonction de l’élément de terre rare individuel”, a déclaré Greenlee, notant que son équipe examinera les interactions au niveau atomique en utilisant la spectroscopie d’absorption des rayons X pour valider comment les molécules échangent des atomes lorsqu’elles se lient. « Avec la modélisation et l’expérimentation, nous continuerons d’itérer pour nous assurer de comprendre comment les molécules fonctionnent ensemble. »
