Cinzas de carvão, argila vermelha e rejeitos de minas são geralmente considerados grandes problemas de resíduos. No entanto, estes vastos fluxos de resíduos também contêm materiais valiosos, incluindo sílica, elementos de terras raras e outros minerais importantes.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo Worcester Polytechnic Institute (WPI) recebeu um prêmio de US$ 3,3 milhões do Programa de Pesquisa de Convergência Crescente da National Science Foundation para investigar se as estratégias biológicas usadas por diatomáceas, esponjas marinhas e plantas podem ajudá-las a recuperar esses recursos com menos energia e menos produtos químicos agressivos.
O esforço de cinco anos e duas fases está sendo liderado por Mingxiang Tao, professor associado do Departamento de Engenharia Civil, Ambiental e Arquitetônica do WPI. Os professores Carrick Eggleston e Yan Wang atuam como co-investigadores principais. Pesquisadores da Universidade George Mason, da Universidade da Califórnia em San Diego, da Universidade de Massachusetts Amherst e da Universidade de Buffalo também contribuirão.
“Recuperar minerais críticos é apenas parte da oportunidade”, disse Tao. “Queríamos desenvolver um processo que utilizasse o máximo possível de cada fluxo de resíduos, separando elementos estrategicamente importantes e convertendo o material restante em produtos úteis. Essa abordagem de materiais inteiros poderia mudar fundamentalmente a forma como as indústrias gerenciam os resíduos e obtêm os recursos necessários.”
Minerais valiosos escondidos em resíduos
Este projeto foi concebido para resolver dois problemas relacionados.
A produção de muitos materiais derivados de silício utilizados em concreto, vidro, cerâmica, semicondutores e silício requer altas temperaturas, grandes quantidades de energia e processamento químico intensivo. Além disso, a indústria gera grandes quantidades de resíduos contendo silício, incluindo rejeitos de cinzas de carvão, argila vermelha, rejeitos de minas, detritos de concreto, resíduos de vidro e escória metalúrgica.
Grande parte deste material acaba em aterros, lagoas, represas e grandes pilhas de resíduos, embora possa conter silício útil, minerais importantes e elementos de terras raras (REEs).
Um sugere conjectura Os 11 milhões de toneladas de REE retidos nos aterros de cinzas de carvão dos EUA estão avaliados em 8,4 mil milhões de dólares – cerca de oito vezes as reservas internas de petróleo bruto existentes no país. Os elementos de terras raras e outros minerais críticos são vitais para a eletrónica, as tecnologias de energia limpa, os transportes e a segurança nacional.
Olhando para a natureza em busca de uma perspectiva limpa
Para encontrar uma maneira melhor de recuperar esses materiais, os pesquisadores estão recorrendo à biologia.
Diatomáceas, esponjas marinhas e algumas plantas usam moléculas biológicas e estruturas orgânicas para acumular silício dissolvido e construir estruturas complexas de sílica sob condições relativamente amenas. A equipe espera adaptar esses processos naturais para criar formas de baixo consumo de energia para decompor os resíduos industriais ricos em sílica.
O objetivo não é apenas libertar elementos de terras raras e outros minerais importantes presos no interior do material, mas também converter a sílica em produtos úteis.
IA e biomoléculas podem acelerar a descoberta
O projeto combina conhecimentos de biologia, geoquímica, ciência dos materiais, metalurgia, engenharia, química computacional e inteligência artificial.
Os pesquisadores planejam usar modelagem computacional avançada e inteligência artificial para projetar biomoléculas especializadas e prever como elas irão interagir com resíduos contendo silício. Essas ferramentas podem ajudar a equipe a identificar mais rapidamente abordagens promissoras para recuperação mineral e fabricação de materiais.
Como investigador principal, Tao irá gerenciar e coordenar o projeto geral, bem como dirigir a pesquisa sobre biossilicificação, o processo através do qual os organismos criam materiais de sílica, e metalurgia bio-habilitada para recuperar elementos de terras raras a partir de resíduos ricos em silício.
Eggleston, professor do Departamento de Engenharia Civil, Ambiental e Arquitetônica com especialização em geoquímica, liderará trabalhos focados na compreensão e otimização das reações químicas envolvidas na decomposição e reconstrução de materiais de silicato.
Sua pesquisa investigará as vias e taxas de reação associadas à dissolução de silicato, repolimerização, carbonatação, formação de vidro e síntese de silício.
Wang, William B. Professor de Engenharia Mecânica e de Materiais. Smith Professor e pioneiro amplamente reconhecido na reciclagem de baterias e fabricação sustentável, liderará o desenvolvimento de métodos de bioengenharia para recuperar elementos de terras raras e outros minerais críticos.
Conversão de resíduos industriais em produtos comercializáveis
Os pesquisadores também estudarão se as tecnologias podem ser ampliadas econômica e praticamente para uso industrial.
Se a abordagem for bem-sucedida, poderá abrir novos caminhos para a conversão de grandes quantidades de resíduos industriais em produtos comercializáveis. Isto poderia reduzir a dependência de recursos recentemente extraídos, reduzir a pegada ambiental da produção de materiais e reforçar o abastecimento interno de minerais críticos e elementos de terras raras.
Os alunos de graduação e pós-graduação do WPI participarão do projeto plurianual por meio de uma experiência STEM em toda a universidade.
O esforço reúne sustentabilidade, biotecnologia, ciência dos materiais, ciência de dados e inteligência artificial. O objetivo é ajudar a construir um ecossistema abrangente de materiais de bioengenharia à base de silício, conectando pesquisadores, parceiros industriais, formuladores de políticas, educadores e futuros inovadores em diversas disciplinas e setores.
