Как обнаружить ценные элементы в источниках отходов

Низкие концентрации тербия могут быть обнаружены в кислых шахтах и других источниках отходов.

Новый люминесцентный датчик может обнаруживать тербий, ценный редкоземельный элемент, в сложных образцах окружающей среды, таких как кислотные отходы шахт. Датчик, разработанный исследователями из Пенсильванского университета, использует белок, который очень специфично связывается с редкоземельными элементами, и может быть использован для развития внутреннего снабжения этими металлами, которые используются в таких технологиях, как смартфоны, аккумуляторы для электромобилей, и энергоэффективное освещение. Статья с описанием датчика была опубликована в Журнале Американского химического общества.

Новый датчик может позволить исследователям обнаруживать тербий редкоземельного элемента в сложных образцах окружающей среды, таких как дренаж кислой шахты — изображенный здесь, загрязняющий ручей в Пенсильвании. Предоставлено: Рэйчел А. Бреннан, Университет штата Пенсильвания.

Тербий

Тербий, один из самых редких из редкоземельных элементов, дает зеленый цвет дисплеям сотовых телефонов, а также используется в высокоэффективном освещении и твердотельных устройствах. Однако получение тербия и других редкоземельных элементов из окружающей среды связано с рядом химических, экологических и политических проблем. Разработка новых источников этих металлов также требует надежных методов обнаружения, что создает еще одну проблему. Например, метод золотого стандарта обнаружения редкоземельных элементов в образце — тип масс-спектрометрии, называемый ICP-MS — дорог и непереносим. Однако портативные методы не так чувствительны и плохо работают в сложных пробах окружающей среды, где кислотные условия и другие металлы могут мешать обнаружению.

«В настоящее время не существует внутренней цепочки поставок редкоземельных элементов, таких как тербий, но на самом деле их довольно много в нетрадиционных источниках в США, включая побочные продукты угля, кислотные дренажные системы шахт и электронные отходы», — сказал Джозеф Котруво-младший, доцент и Луи Мартарано, профессор химии в Университете штата Пенсильвания, член Университетского центра критических минералов и старший автор исследования. «В этом исследовании мы разработали датчик на основе люминесценции, который можно использовать для обнаружения и даже количественного определения низких концентраций тербия в сложных кислых образцах».

Ланмодулин

Белок ланмодулин был разработан в датчик, который может идентифицировать тербий редкоземельного элемента в сложных средах, таких как дренаж кислых шахт. Изображенный здесь датчик излучает зеленый свет, когда он связан с тербием. Предоставлено: Эмили Фезерстон, штат Пенсильвания.

Новый датчик основан на ланмодулине, ранее обнаруженном исследователями белке, который почти в миллиард раз лучше связывается с редкоземельными элементами, чем с другими металлами. Селективность белка к связыванию редкоземельных элементов идеальна для сенсора, так как он, скорее всего, будет связываться с редкоземельными элементами, а не с другими металлами, которые обычно встречаются в образцах окружающей среды.

Чтобы оптимизировать ланмодулин в качестве сенсора конкретно для тербия, исследователи изменили белок, добавив к нему аминокислоту триптофан.

«Триптофан — это то, что называют« сенсибилизатором »тербия, что означает, что свет, поглощенный триптофаном, может передаваться тербию, который тербий затем излучает на другой длине волны», — сказал Котруво. «Зеленый цвет этого излучения на самом деле является одной из основных причин использования тербия в таких технологиях, как дисплеи смартфонов. Для наших целей, когда соединение триптофан-ланмодулин связывается с тербием, мы можем наблюдать излучаемый свет или люминесценцию, чтобы измерить концентрацию тербия в образце».

Исследователи разработали множество вариантов сенсора триптофан-ланмодулин, оптимизируя расположение триптофана, чтобы он не мешал способности ланмодулина связываться с редкоземельными элементами. Эти варианты предоставили важную информацию о ключевых свойствах белка, которые позволяют ему связывать редкоземельные элементы с такой высокой селективностью.

Затем они протестировали наиболее многообещающий вариант, чтобы определить самую низкую концентрацию тербия, которую датчик может обнаружить в идеальных условиях — без вмешательства других металлов.

Даже в очень кислых условиях, например, в кислых шахтах, датчик может определять экологически значимые уровни тербия.

• «Одна из проблем с извлечением редкоземельных элементов состоит в том, что их нужно извлекать из породы», — сказал Котруво.
• «Природа уже сделала это за нас с кислотным дренажем шахт, но поиск редкоземельных элементов похож на поиск иголки в стоге сена. У нас есть существующая инфраструктура для обработки участков кислотного дренажа как на действующих, так и на бездействующих рудниках, чтобы уменьшить их воздействие на окружающую среду. Если мы сможем идентифицировать участки с наиболее ценными редкоземельными элементами с помощью датчиков, мы сможем лучше сосредоточить усилия по извлечению, чтобы превратить потоки отходов в источники дохода».

Затем исследователи проверили датчик на реальных образцах из очистных сооружений кислотных шахт в Пенсильвании — кислой пробе с множеством других металлов и очень низким уровнем тербия — 3 части на миллиард. Сенсор определил концентрацию тербия в образце, которая была сопоставима с тем, что они обнаружили с методом «золотого стандарта», что позволяет предположить, что новый сенсор является эффективным способом обнаружения низких концентраций тербия в сложных образцах окружающей среды.

• «Мы планируем дополнительно оптимизировать датчик, чтобы он стал еще более чувствительным и более простым в использовании», — сказал Котруво. «Мы также надеемся нацелить этот подход на другие конкретные редкоземельные элементы».

Источник

Метки: редкоземельные элементы