بیولیچینگدیدگاهمدیریت پسماند

بازیافت پسماند الکتریکی با فرایند بیولیچینگ

بازیافت پسماند الکتریکی بدون‌شک یکی از مشکلات بزرگ در زمینه مدیریت پسماند است. روش‌های متداول شیمیایی، هزینه و انرژی زیادی برای بازیافت این نوع پسماند دارند و روش بیولوژیکی و استفاده از میکروارگانیسم‌ها و فرایند بیولیچینگ یا فروشویی زیستی می‌تواند گزینه مناسبی برای بازیافت این نوع پسماند مطرح باشد.


در سال 2016، میزان تولید پسماند الکتریکی 44.7 میلیون‌تن تخمین زده‌شد و به‌نظر می‌رسد این مقدار تا سال 2021 به 52 میلیون‌تن برسد. امروزه افراد بیشتری از وسایل الکتریکی استفاده می‌کنند و مصرف‌کنندگان در بازه‌های زمانی کوتاه‌تری اقدام به دفع و تعویض وسایل الکتریکی می‌کنند.

اگرچه دفع و پردازش پسماند الکتریکی بسیار سخت انجام می‌پذیرد، اسناد دولتی و گزارشات علمی نشان می‌دهد که تنها بیست درصد از آن به‌طور صحیح در سطح جهانی بازیافت می‌شود. محققین تخمین می‌زنند که چهار درصد آن در لندفیل دفن می‌شود یا سوزانده می‌شود. مواد سمی موجود در پسماند الکتریکی لندفیل، باعث ایجاد آلایندگی در محیط‌زیست می‌شوند. هفتادوشش درصد پسماند باقی‌مانده نیز وضعیت نامشخصی دارند. برخی از آن‌ها به کشورهای درحال‌توسعه انتقال داده می‌شوند و مردم آن را می‌سوزانند یا برای استخراج فلزات سنگین استفاده می‌کنند.

روش‌های پیچیده بازیافت نیز از وضعیت مطلوبی برخوردار نیستند. در روش پیرومتالورژی، پسماند الکتریکی تا دمای هزار درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود و انرژی زیادی لازم دارد. علاوه براین منجر به تولید گازهای سمی می‌شود. هیدرومتالورژی فرایندی است که در آن از سیانور و اسید برای استخراج فلزات سنگین استفاده می‌شود و بنابراین پساب سمی و بالقوه خطرناکی تولید می‌کند.

بنابراین توجه محققین به میکروارگانیسم‌ها و به‌خصوص باکتری‌ها جلب شده است. البته فروشویی زیستی فرایند جدیدی نیست و کارخانجات معدن از میکروارگانیسم‌ها برای استخراج فلزات از سنگ معدن استفاده می‌کرده‌اند. برخی از باکتری‌ها ماده شیمیایی تولید می‌کنند که پیوند مس- سولفید را در مواد معدنی می‌شکند. بعضی از باکتری‌ها سولفوریک اسید تولید می‌کنند که باعث انحلال مس می‌شود. میکروارگانیسم‌ها همچنین می‌توانند با کمک سدیم سیانید، طلا را از حالت جامد به حالت محلول درآورند. البته استفاده از میکروارگانیسم‌ها برای بازیافت فلزات سنگین از پسماند الکتریکی در مرحله آزمایشگاهی محدود باقی مانده است.

در سال 2007، تینگ و همکاران از میکروارگانیسم C. Violaceum برای بازیافت طلا از پسماند الکتریکی استفاده کرد. باکتریوم C.Violaceum برای تولید مواد دارویی نیز کاربرد دارد. این میکروارگانیسم آنزیمی تولید می‌کند که باعث تبدیل گلایسین به هیدروژن سیانید می‌شود و یون‌های سیانید در محلول به اتم‌های طلا متصل شده و آن را از قطعه الکتریکی جدا می‌کنند. این باکتری پس از اتمام واکنش، مجددا سیانید را به ماده بی‌خطری به نام بتا- سیانوآلانین تبدیل می‌کند و از این طریق منجر به تولید پساب خطرناک نمی‌شود.

یکی از مشکلات استفاده از میکروارگانیسم مذکور این است که به مقدار کافی برای استخراج طلا سیانید تولید نمی‌کند. یکی از دلایل این مطلب، این است که تنها توده متراکم این باکتری می‌تواند آنزیم را تولید کند. بنابراین در مطالعه دیگر در سال 2013، تیم تحقیقاتی تینگ فرایند را بهبود بخشیدند و دو گونه جدید از باکتری تولید کردند که هر کدام کپی اضافی از ژنی داشتند که تولید آنزیم را کنترل می‌کرد. محققین نیز توالی‌یابی جدید DNA را اضافه کردند که با افزودن مواد شیمیایی تولید آنزیم بهتر انجام می‌شود و از آن به‌عنوان توسعه‌دهنده یاد می‌شود. میزان تولید سیانید در این حالت از پنجاه‌ویک به شصت‌وهشت درصد سیانید بیشتر افزایش یافت و درصد بازیافت طلا نیز از یازده به بیست‌وپنج تا سی درصد ارتقاء یافت.

البته هنوز این فرایند بازدهی مناسبی ندارد. هیدرومتالورژی و پیرومتالورژی توانایی بازیابی صددرصد طلا را دارند. یکی از مشکلات این است که مس، که در اغلب وسایل الکتریکی وجود دارد، با سیانید واکنش می‌دهد. اگرچه مس واکنش‌داده می‌تواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد، بازیابی طلا با مشکل مواجه می‌شود. یکی دیگر از مشکلات این است که در پی‌هاش مطلوب باکتری، سیانید به صورت هیدروژن سیانید فرار وجود دارد و توسط تبخیر هدر می‌رود. به‌علاوه اینکه اختلاط پسماند الکتریکی با میکروارگانیسم‌ها رشد آن‌ها را به تعویق می‌انداخت.

بنابراین تیم تینگ، استراتژی‌های دیگری را نیز امتحان کردند. آن‌ها پسماند الکتریکی را با نیتریک اسید یا مخلوطی از سولفوریک اسید و هیدروژن پراکسید شستشو دادند که باعث حذف مقداری از مس شد. علاوه بر این، آن‌ها از یک ماده شیمیایی استفاده کردند که از وقوع موتاسیون در باکتری جلوگیری کند و کلنی‌هایی را انتخاب کردند که در پی‌هاش‌های بالاتر، خوب رشد می‌کنند. این امر باعث جلوگیری از تبخیر هیدروژن سیانید می‌شود.

در عوض اختلاط پسماند الکتریکی و باکتری‌ها، این تیم باکتری‌ها را جداگانه رشد دادند و پس از تولید محلول سیانید، سلول‌ها را جدا کردند و سپس پسماند الکتریکی را به محلول سیانید اضافه نمودند. نهایتاً محققین میکروارگانیسم‌ها را به‌همراه فلاسک محیط‌کشت، در دستگاه اولتراسونیکاتور قرار دادند. امواج پرفشار باعث اختلاط بهتر محیط‌کشت شدند و مواد غذایی را به میکروارگانیسم‌ها نزدیکتر کردند و باعث افزایش سرعت رشد شدند. با استفاده تلفیقی از این روش‌ها، تیم تینگ موفق شد از یازده تا شصت‌ونه درصد طلا را بازیابی کند.

تیم تینگ از میکروارگانیسم Delftia acidovorans برای بازیابی طلا از محلول سیانید استفاده کردند. این میکروارگانیسم ماده‌ای به‌نام دلفتیباکتین تولید می‌کند که باعث رسوب طلا به صورت نانوذرات طلا می‌شود.

روش‌های بیولوژیکی می‌توانند به‌عنوان مکمل -و نه جایگزین- روش‌های متداول بازیافت مطرح باشند و روش‌های فیزیکی شیمیایی ممکن است هنوز برای بازیافت برخی مواد مانند پلاستیک ضروری باشد.

پسماندهای الکتریکی حاوی عناصر کمیاب نیز هستند و محققین از باکتری‌ها برای جمع‌آوری این عناصر استفاده می‌کنند. روش‌های شیمیایی برای استخراج هزینه زیادی دارد و باعث تولید پساب‌ها و پسماندهای خطرناک دیگری می‌شود.

تیم تامسون باکتری گلوکونوباکتر اکسیدانز را رشد دادند که گلوکونیک اسید تولید می‌کند. این مولکول‌ها دور عناصر کمیاب را احاطه می‌کنند و آن‌ها را به حالت محلول در می‌آورند. آن‌ها سپس می‌توانند با افزودن حلال یا تنظیم پی‌هاش، عناصر کمیاب را آزاد کنند.

در مطالعه‌ای در سال 2016، این تیم از روش مذکور برای پسماندهایی نظیر لامپ‌های فلوئورسانت و کاتالیست‌های به‌جامانده از فرایند کراکینگ استفاده کردند که هر دو از پسماندهای صنعت پالایش نفت است. مواد شیمیایی تولیدشده توسط میکروارگانیسم‌ها، قادر به بازیابی چهل‌ونه درصد عناصر کمیاب بود. محققین هم‌اکنون این روش را برای پسماندهای الکتریکی آزمایش می‌کنند.

آیا این روش‌ها می‌توانند از روش اقتصادی به‌صرفه باشند؟ در مطالعه‌ای در سال 2018، تیم تامسون تخمین زد که یک واحد فروشویی زیستی با 3 میلیون دلار هزینه سالانه، سود 3.88 میلیون‌دلار در سال می‌دهد. اما محققین فرصت‌های زیادی برای کاهش هزینه‌ها پیش‌بینی می‌کنند. حدوداً نیمی از هزینه عملیاتی به‌علت استفاده از گلوکوز به‌عنوان منبع کربن است و شاید یک پسماند سرشار از کربوهیدرات بتواند جایگزین مناسبی برای گلوکوز خالص باشد و ازاین‌جهت باعث کاهش هزینه‌ها بشود.

پس از انجام آزمایشات فراوان، دانشمندان دریافتند که پسماندهای سیب‌زمینی و ذرت بهترین گزینه برای خوراک باکتری هستند. تیم تامسون هم‌اکنون درحال انجام فرایندهای مهندسی ژنتیک است تا بتوانند باکتری مذکور را با این پسماندها رشد دهند.

برای اقتصادی‌کردن فرایند استخراج طلا از پسماند الکتریکی، کارخانه مینت از فرایندهای شیمیایی و بیولوژیکی استفاده کرده‌است. در مرحله اول، از اسیدها و اکسیدکننده‌های شیمیایی برای استخراج طلا از پساب الکتریکی استفاده می‌شود و تا حد امکان این مواد شیمیایی مجدداً استفاده می‌شوند تا پساب تولیدی به حداقل برسد.

سپس با استفاده از میکروارگانیسم سوپریاویدوس متالیدورانس طلا خالص‌سازی می‌شود. برخلاف باکتری مورد استفاده تیم تینگ، این باکتری طلا را به سطح خود جذب می‌کند و آن را به صورت نانوذرات طلا رسوب نمی‌دهد. درمقیاس صنعتی بازیابی طلا از باکتری بسیار آسان‌تر از بازیابی نانوذرات طلا است.

این کارخانه از فناوری مذکور در سال گذشته استفاده کرد و موفق به بازیابی هشتادوپنج تا نود درصد طلا از قطعات الکتریکی خردشده شد. هم‌اکنون این فرایند درحال افزایش مقیاسی است که بتواند 200 تن پسماند را در سال پردازش کند.

کارخانه مینت هم‌اکنون در حال بررسی بازیافت پالادیم از پسماند الکتریکی توسط روش‌های بیولوژیکی و یا بازیابی مس توسط روش‌های شیمیایی است. مواد باقی‌مانده مانند پلاستیک، شیشه و سرامیک برای پردازش به کارخانجات دیگر ارسال شوند.

این مطلب در 15 ژانویه 2019 درمجله National Academy of Science منتشر شده است.

☑ نویسنده: Roberta Kwok
☑ ترجمه و بازنویسی: علی دبستانی
☑ منبع

برچسب‌ها
نمایش بیشتر

نوشته‌های مشابه

یک دیدگاه

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا
EnglishIran
بستن
بستن