Biominering af fremtidens elementer

Biomining er den slags teknik, der loves af science fiction:en stor tank fyldt med mikroorganismer, der udvasker metal fra malm, gamle mobiltelefoner og harddiske.

Det lyder futuristisk, men det bruges i øjeblikket til at producere omkring 5 % af verdens guld og 20 % af verdens kobber. Det bruges også i mindre grad til at udvinde nikkel, zink, kobolt og sjældne jordarters grundstoffer. Men måske er det mest spændende potentiale at udvinde sjældne jordarters elementer, som er afgørende i alt fra mobiltelefoner til vedvarende energiteknologi.

Mary Kathleen minen, en udmattet uranmine i det nordvestlige Queensland, indeholder anslået 4 milliarder A$ i sjældne jordarters grundstoffer. Biomining tilbyder en omkostningseffektiv og miljøvenlig mulighed for at få det ud.

Biomining er så alsidig, at den kan bruges på andre planetariske legemer. Bioleaching -undersøgelser på den internationale rumstation har vist, at mikroorganismer fra ekstreme miljøer på Jorden kan udvaskes en lang række vigtige mineraler og metaller fra sten, når de udsættes for kulde, varme, stråling og rummets vakuum.

Nogle videnskabsmænd mener endda, at vi ikke kan kolonisere andre planeter uden hjælp fra biomineteknologier.

Hvordan virker det?

Biominering finder sted inden for store, lukket, omrørte tankreaktorer (bioreaktorer). Disse enheder indeholder generelt vand, mikroorganismer (bakterier, archaea, eller svampe), malmmateriale, og en energikilde for mikroberne.

Den nødvendige energikilde afhænger af den specifikke mikrobe, der er nødvendig for jobbet. For eksempel, guld og kobber "udvaskes" biologisk fra sulfidmalme ved hjælp af mikroorganismer, der kan hente energi fra uorganiske kilder, via oxidation af svovl og jern.

Imidlertid, sjældne jordarters grundstoffer bioudvaskes fra ikke-sulfidiske malme ved hjælp af mikroorganismer, der kræver en organisk kulstofkilde, fordi disse malme ikke indeholder en brugbar energikilde. I dette tilfælde, sukker tilsættes for at lade mikroberne vokse.

Alle levende organismer har brug for metaller for at udføre basale enzymreaktioner. Mennesker får deres metaller fra sporkoncentrationerne i deres mad. Mikrober, imidlertid, få metaller ved at opløse dem fra mineralerne i deres miljø. Det gør de ved at producere organiske syrer og metalbindende forbindelser. Forskere udnytter disse egenskaber ved at blande mikrober i opløsning med malme og samle metallet, mens det flyder til toppen.

Temperaturen, sukkerarter, den hastighed, hvormed tanken omrøres, surhedsgrad, kuldioxid- og iltniveauer skal alle overvåges og finjusteres for at give optimale arbejdsforhold

Fordelene ved biominering

Traditionelle minedriftsmetoder kræver skrappe kemikalier, masser af energi og producerer mange forurenende stoffer. I modsætning, biomining bruger lidt energi og producerer få mikrobielle biprodukter såsom organiske syrer og gasser.

Fordi det er billigt og enkelt, biominedrift kan effektivt udnytte lavkvalitetskilder til metaller (såsom mineaffald), som ellers ville være uøkonomiske ved brug af traditionelle metoder.

Lande henvender sig i stigende grad til biomining såsom Finland, Chile og Uganda. Chile har opbrugt meget af sine kobberrige malme og bruger nu biominedrift, mens Uganda har udvundet kobolt fra kobbermineaffald i over et årti.

Hvorfor har vi brug for sjældne jordarters grundstoffer?

De sjældne jordarters grundstoffer omfatter gruppen af ​​15 lanthanider nær bunden af ​​det periodiske system, plus scandium og yttrium. De er meget udbredt i stort set al elektronik og er i stigende grad eftertragtet af elbiler og vedvarende energi.

Disse grundstoffers unikke atomare egenskaber gør dem nyttige som magneter og fosfor. De bruges som stærke letvægtsmagneter i elektriske køretøjer, vindturbine, harddiske, medicinsk udstyr og som fosfor i energieffektiv belysning og i LED'er på mobiltelefoner, fjernsyn og bærbare computere.

På trods af deres navn, sjældne jordarters grundstoffer er ikke sjældne, og nogle er faktisk mere rigelige end kobber, nikkel og bly i jordskorpen. Imidlertid, i modsætning til disse primære metaller, der danner malme (et naturligt forekommende mineral eller sten, hvorfra et nyttigt stof let kan udvindes), sjældne jordarter er vidt spredt. For at være økonomisk gennemførlige udvindes de generelt som sekundære produkter sammen med primærmetaller såsom jern og kobber.

Over 90 % af verdens sjældne jordarters grundstoffer kommer fra Kina, hvor produktionsmonopoler, handelsrestriktioner og ulovlig minedrift har fået priserne til at svinge dramatisk gennem årene.

Rapporter fra det amerikanske energiministerium, Europæiske Union, og den amerikanske efterretningskommission har stemplet flere sjældne jordarters grundstoffer som kritiske materialer, baseret på deres betydning for ren energi, høj forsyningsrisiko, og mangel på vikarer.

Disse rapporter tilskynder til forskning og udvikling i alternative minedriftsmetoder såsom biominedrift som en potentiel afbødningsstrategi.

Ved at følge disse opkald, laboratorier i Curtin, og Berkeley-universiteterne har brugt mikroorganismer til at opløse almindelige mineraler, der indeholder sjældne jordarters grundstoffer. Disse pilotstudier har vist lovende resultater, med udvindingshastigheder, der vokser tættere på de konventionelle minedriftsmetoder.

Fordi det meste elektronik har en notorisk kort levetid og dårlig genanvendelighed, laboratorier eksperimenterer med "urban" biominedrift. For eksempel, bioudvaskningsundersøgelser har set succes med at udvinde sjældne jordarters grundstoffer fra fosforpulveret, der beklæder fluorescerende glober, og brugen af ​​mikroorganismer til at genbruge sjældne jordartselementer fra elektronisk affald såsom harddiskmagneter.

De sjældne jordarters elementer er afgørende for fremtiden for vores teknologi. Biomining tilbyder en måde at skaffe disse værdifulde ressourcer på en måde, der er både miljømæssigt bæredygtig og økonomisk gennemførlig.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.