پسماندهای صنعتی فقط مواد دورریختنی نیستند؛ بخشی از آن‌ها می‌توانند حاوی عناصر نادر خاکی، سیلیس و دیگر مواد ارزشمند باشند. پژوهشگران دانشگاه Worcester Polytechnic Institute (WPI) در یک پروژه پنج‌ساله با حمایت ۳.۳ میلیون دلاری بنیاد ملی علوم آمریکا، در حال بررسی روشی برای بازیابی این مواد با الهام از فرایندهای طبیعی هستند..
در این پژوهش، موادی مانند خاکستر زغال‌سنگ، گل قرمز صنایع آلومینیوم و باطله‌های معدنی بررسی می‌شوند. پژوهشگران می‌خواهند با ترکیب زیست‌مهندسی، شیمی، علم مواد، زمین‌شناسی و هوش مصنوعی، روش‌هایی کم‌مصرف‌تر برای بازیابی مواد ارزشمند از این پسماندها پیدا کنند.
اهمیت این ایده فقط به استخراج عناصر نادر خاکی محدود نمی‌شود. استفاده دوباره از مواد موجود در پسماندها می‌تواند نگاه تازه‌ای به تأمین مواد اولیه مورد نیاز فناوری‌های پیشرفته ایجاد کند؛ موضوعی که در «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» نیز می‌تواند نمونه‌ای از ظرفیت علوم پایه برای شکل‌دادن به ایده‌های نوآورانه باشد.
عناصر نادر خاکی چیستند و چرا اهمیت دارند؟
عناصر نادر خاکی گروهی از ۱۷ عنصر با ویژگی‌های شیمیایی مشابه هستند که لانتانیدها، اسکاندیم و ایتریم را دربرمی‌گیرند. برخلاف چیزی که نام «نادر» ممکن است نشان دهد، این عناصر لزوماً کمیاب نیستند؛ چالش اصلی، پراکندگی آن‌هاست. بسیاری از عناصر نادر خاکی به‌صورت ذخایر متمرکز و قابل استخراج اقتصادی یافت نمی‌شوند.
دلیل اهمیت این عناصر را باید در کاربردهای گسترده آن‌ها جست‌وجو کرد. از آهنرباهای دائمی و کاتالیست‌ها گرفته تا تجهیزات الکترونیکی، باتری‌ها و برخی فناوری‌های انرژی و دفاعی، صنایع مختلف به این مواد وابسته‌اند. به همین دلیل، پیدا کردن منابع جدید و روش‌های مؤثرتر برای بازیابی آن‌ها به یکی از موضوعات مورد توجه پژوهشگران تبدیل شده است.
اما منبع این عناصر همیشه یک معدن تازه نیست. زغال‌سنگ و خاکستر حاصل از سوختن آن نیز می‌توانند حاوی مقادیری از عناصر نادر خاکی باشند. برخی بررسی‌های زمین‌شناسی نشان داده‌اند که در بعضی ذخایر زغال‌سنگ و پسماندهای حاصل از آن، غلظت این عناصر می‌تواند به اندازه‌ای باشد که توجه پژوهشگران را به امکان بازیابی آن‌ها جلب کند.
چرا خاکستر زغال‌سنگ منبع عناصر نادر خاکی است؟
وقتی زغال‌سنگ می‌سوزد، مواد آلی آن از بین می‌روند، اما بسیاری از مواد معدنی باقی می‌مانند و در خاکستر متمرکز می‌شوند. عناصر نادر خاکی نیز می‌توانند در این فرایند باقی بمانند؛ به همین دلیل، خاکستر زغال‌سنگ به‌عنوان منبعی بالقوه برای بازیابی این عناصر مورد توجه قرار گرفته است.
بر اساس پژوهش‌های سازمان زمین‌شناسی آمریکا (USGS)، خاکستر بادی حاصل از احتراق زغال‌سنگ می‌تواند یکی از منابع بازیابی عناصر نادر خاکی باشد. با این حال، استخراج آن‌ها آسان نیست؛ زیرا این عناصر در ساختارهای معدنی پیچیده قرار دارند و جداسازی و خالص‌سازی آن‌ها به فناوری‌های تخصصی نیاز دارد.
یک مطالعه در سال ۲۰۲۴ برآورد کرده است که عناصر نادر خاکی موجود در خاکستر زغال‌سنگ آمریکا، با فرض شرایط مشخص برای بازیابی و اقتصاد پروژه، می‌توانند ارزشی حدود ۸.۴ میلیارد دلار داشته باشند. این رقم یک برآورد بالقوه است و ارزش واقعی به ترکیب خاکستر، فناوری استخراج و میزان بازیابی بستگی دارد.
چه پسماندهایی حاوی مواد ارزشمند هستند؟
پژوهش جدید WPI فقط به خاکستر زغال‌سنگ محدود نمی‌شود. پژوهشگران پسماندهای مختلفی را بررسی می‌کنند که می‌توانند حاوی سیلیس، عناصر نادر خاکی و دیگر مواد معدنی ارزشمند باشند.
| نوع پسماند | مواد ارزشمند احتمالی | کاربرد مورد بررسی |
| خاکستر زغال‌سنگ | عناصر نادر خاکی، سیلیس | بازیابی عناصر و تولید مواد سیلیسی |
| گل قرمز | مواد معدنی و ترکیبات سیلیکاتی | جداسازی و فرآوری مواد ارزشمند |
| باطله‌های معدنی | عناصر نادر خاکی و مواد معدنی | بازیابی انتخابی عناصر |
| شیشه دورریز | سیلیس | تولید مواد و ترکیبات سیلیسی |
| سرباره‌های صنعتی | سیلیس و مواد معدنی | فرآوری و تولید محصولات جدید |
| پسماند بتن | ترکیبات سیلیکاتی | استفاده مجدد در تولید مواد |
هدف پژوهشگران فقط استخراج یک ماده خاص نیست. آن‌ها به دنبال روشی هستند که بتواند بخش‌های مختلف پسماند را به مواد و محصولات قابل استفاده تبدیل کند؛ رویکردی که می‌تواند هم مقدار دورریز را کاهش دهد و هم ارزش بیشتری از این پسماندها ایجاد کند.
استخراج مواد معدنی با الهام از طبیعت چگونه انجام می‌شود؟
یکی از بخش‌های جالب این پروژه، استفاده از زیست‌الهام‌گیری است. در طبیعت، برخی موجودات می‌توانند ساختارهای پیچیده سیلیسی را بدون نیاز به دما و فشار بسیار بالا ایجاد کنند؛ فرایندی که می‌تواند برای طراحی روش‌های کم‌مصرف‌تر الهام‌بخش باشد.
برای مثال، دیاتوم‌ها موجودات میکروسکوپی هستند که پوسته‌هایی از سیلیس می‌سازند. اسفنج‌های دریایی و برخی گیاهان نیز از سازوکارهای زیستی برای جذب و سازمان‌دهی ترکیبات سیلیس استفاده می‌کنند. پژوهشگران WPI می‌خواهند از شناخت این فرایندها برای پردازش سیلیس موجود در پسماندهای صنعتی در شرایط ملایم‌تر استفاده کنند.
در این مسیر، علوم پایه نقش مهمی دارد؛ از شناخت واکنش‌های شیمیایی و ساختار مواد گرفته تا بررسی رفتار عناصر و سازوکارهای زیستی. ترکیب این دانش‌ها می‌تواند راه را برای تبدیل یک فرایند طبیعی به روشی کاربردی برای بازیابی مواد ارزشمند هموار کند.
استخراج عناصر نادر خاکی با روش‌های کم‌مصرف چگونه ممکن است؟
یکی از چالش‌های اصلی استخراج عناصر نادر خاکی، جدا کردن آن‌ها از ساختارهای معدنی و سپس خالص‌سازی است. روش‌های متداول می‌توانند به انرژی و مواد شیمیایی قابل‌توجهی نیاز داشته باشند.
پروژه WPI به دنبال راه‌هایی است که با الهام از زیست‌شناسی، این فرایند را کم‌مصرف‌تر کنند. پژوهشگران در حال بررسی مولکول‌ها و ساختارهای زیستی هستند که بتوانند با مواد موجود در پسماندها برهم‌کنش انتخابی داشته باشند.
این فناوری هنوز در مرحله پژوهش و توسعه است و نمی‌توان آن را روشی تجاری و آماده برای استخراج عناصر نادر خاکی دانست. هدف فعلی، شناخت این برهم‌کنش‌ها و طراحی سازوکارهایی است که در آینده بتوانند به بازیابی کم‌مصرف‌تر عناصر ارزشمند کمک کنند.
هوش مصنوعی چگونه به استخراج عناصر نادر خاکی کمک می‌کند؟
یکی از بخش‌های مهم این پروژه، استفاده از هوش مصنوعی و مدل‌سازی محاسباتی است. از آنجا که مولکول‌های زیستی مختلف می‌توانند با مواد معدنی برهم‌کنش داشته باشند، بررسی همه گزینه‌ها در آزمایشگاه زمان‌بر است.
مدل‌های محاسباتی می‌توانند رفتار احتمالی این مولکول‌ها را پیش‌بینی کنند و گزینه‌های مناسب‌تر را برای آزمایش‌های بعدی مشخص کنند. به این ترتیب، هوش مصنوعی جای آزمایش‌های علمی را نمی‌گیرد؛ بلکه به پژوهشگران کمک می‌کند مسیرهای امیدوارکننده را سریع‌تر پیدا کنند.
ترکیب داده‌های آزمایشگاهی، هوش مصنوعی، زیست‌مهندسی و علم مواد، این پروژه را به نمونه‌ای از پژوهش‌های میان‌رشته‌ای تبدیل کرده است؛ پژوهش‌هایی که برای پاسخ به یک چالش پیچیده، از چند حوزه علمی به‌طور هم‌زمان استفاده می‌کنند.
استخراج عناصر نادر خاکی از پسماند؛ سیلیس چه نقشی دارد؟
در پروژه WPI، عناصر نادر خاکی تنها هدف پژوهشگران نیستند. بسیاری از پسماندهای صنعتی حاوی سیلیس هستند؛ ماده‌ای که در تولید شیشه، سرامیک، بتن، نیمه‌رساناها و مواد سیلیکونی کاربرد دارد.
به همین دلیل، پژوهشگران به دنبال روشی هستند که بتواند تا حد امکان از بخش‌های مختلف پسماند استفاده کند. یعنی پس از بازیابی عناصر ارزشمند، باقی‌مانده ماده نیز برای تولید محصولات دیگر به کار گرفته شود.
این نگاه، پسماند صنعتی را از یک ماده دورریختنی به منبعی ثانویه برای مواد ارزشمند تبدیل می‌کند. چنین رویکردی نشان می‌دهد که ترکیب دانش علوم پایه با مهندسی و فناوری می‌تواند برای حل چالش‌های صنعتی و محیط‌زیستی، مسیرهای تازه‌ای ایجاد کند. در همین مسیر، «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» نیز از ایده‌هایی استقبال می‌کند که مرز میان علم، فناوری و کاربرد را به هم نزدیک‌تر می‌کنند.
استخراج عناصر نادر خاکی از پسماند چقدر اقتصادی است؟
وجود عناصر نادر خاکی در یک پسماند، به‌تنهایی به معنای اقتصادی بودن استخراج آن نیست. هزینه جمع‌آوری، جداسازی و خالص‌سازی، میزان مصرف انرژی و نحوه مدیریت مواد باقی‌مانده همگی باید در نظر گرفته شوند.
بررسی‌های USGS نشان می‌دهند که برخی منابع زغال‌سنگ و خاکستر از نظر میزان عناصر نادر خاکی امیدوارکننده‌اند، اما استخراج و خالص‌سازی آن‌ها همچنان با چالش‌های فنی روبه‌روست. استفاده از مواد ارزشمند دیگر موجود در پسماند نیز می‌تواند به بهبود اقتصاد فرایند کمک کند.
بنابراین، پرسش اصلی فقط این نیست که چه مقدار عنصر نادر خاکی در پسماند وجود دارد؛ مهم این است که چه مقدار از آن را می‌توان با هزینه، مصرف انرژی و اثرات زیست‌محیطی قابل‌قبول بازیابی کرد.
مدیریت پسماند صنعتی؛ آیا زباله می‌تواند به منبع مواد اولیه تبدیل شود؟
اگر چنین روش‌هایی در آینده به مقیاس صنعتی برسند، نگاه به پسماندهای صنعتی می‌تواند تغییر کند. موادی که امروز بیشتر به‌عنوان ضایعات مدیریت می‌شوند، ممکن است به منابع ثانویه برای تأمین مواد اولیه تبدیل شوند.
این رویکرد می‌تواند در کنار کاهش نیاز به استخراج منابع جدید، به استفاده دوباره از موادی که پیش‌تر دورریز محسوب می‌شدند کمک کند. البته میزان اثرگذاری آن به عواملی مانند هزینه، مقیاس تولید، بازده فناوری و الزامات زیست‌محیطی بستگی دارد.
با این حال، همه پسماندها ارزش یکسانی ندارند. ترکیب شیمیایی و زمین‌شناسی خاکستر، باطله‌های معدنی و دیگر ضایعات صنعتی متفاوت است و هر منبع باید از نظر امکان بازیابی، هزینه و کاربرد مواد به‌صورت جداگانه بررسی شود.
آینده استخراج عناصر نادر خاکی؛ آیا پسماندهای صنعتی معدن بعدی هستند؟
پروژه پژوهشگران WPI هنوز در ابتدای یک مسیر پنج‌ساله است و مشخص نیست این روش‌ها چه زمانی به فناوری صنعتی تبدیل شوند. با این حال، همین ایده می‌تواند نگاه تازه‌ای به منابع موجود ایجاد کند.
در این رویکرد، شاید بخشی از مواد مورد نیاز آینده نه در معادن جدید، بلکه در پسماندهایی باشد که پیش‌تر دورریز تلقی می‌شدند. زیست‌الهام‌گیری و فناوری‌های نوین می‌توانند راه‌های تازه‌ای برای بازیابی این مواد ایجاد کنند.
در چنین مسیری، «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» می‌تواند نقطه‌ای برای دیده‌شدن ایده‌هایی باشد که زاویه‌ای متفاوت برای ساختن آینده پیشنهاد می‌کنند. شاید در آینده، پسماند صنعتی فقط چیزی برای مدیریت نباشد؛ بلکه بخشی از منابع مواد اولیه باشد.
منبع: Science Daily
