التعدين الحيوي : تكنولوجيا رخيصة و نظيفة لاستخلاص المعادن

التعدين الحيوي باستخدام الكائنات الدقيقة
التعدين الحيوي بإستخدام الكائنات الدقيقة

التعدين الحيوي هو نوع من التقنية التي وعدت بها أفلام الخيال العلمي: وعاء واسع مليء بالكائنات الدقيقة التي تعمل بلا كلل على ترشيح المعادن من خامات المناجم، والهواتف المحمولة القديمة ، والأقراص الصلبة.

قد يبدو ذلك مستقبليًا جداً ، لكنه في الحقيقة يُستخدم حاليًا لإنتاج حوالي 5 بالمائة من الذهب في العالم و 20 بالمائة من النحاس في العالم. كما أنه يستخدم بدرجة أقل لاستخراج عناصر النيكل والزنك والكوبالت والعناصر الأرضية النادرة.

لكن الأكثر إثارة حقاً هو استخراج العناصر الأرضية النادرة ، والتي تعتبر حاسمة في كل شيء من الهواتف المحمولة إلى تكنولوجيا الطاقة المتجددة.

يحتوي منجم ماري كاثلين ، وهو منجم لليورانيوم المنضب في شمال غرب كوينزلاند ، على ما يقدر بـ (4) مليار دولار أسترالي في عناصر أرضية نادرة. يوفر التعدين الحيوي خيارًا فعال التكلفة وصديق للبيئة لإخراجه.

التعدين الحيوي متعدد الاستخدامات بحيث يمكن استخدامه في بيئات غير أرضية أيضاً ، حيث أظهرت المزارع البيولوجية على المحطة الفضائية الدولية أن الكائنات الدقيقة من البيئات القاسية على الأرض يمكن أن تستخلص مجموعة كبيرة ومتنوعة من المعادن والمعادن النادرة من الصخور حتى عندما تتعرض للبرد والحرارة والإشعاع وفراغ الفضاء.

حتى أن بعض العلماء يعتقدون أنه لا يمكننا استعمار الكواكب الأخرى دون مساعدة من التقانة الحيوية.

كيف يعمل التعدين الحيوي ؟

تتم عملية التحضين الكائنات الدقيقة داخل مفاعلات كبيرة و مغلقة (المفاعلات الحيوية). تحتوي هذه المفاعلات بشكل عام على الماء والكائنات الدقيقة (البكتيريا أو العتائق أو الفطريات) ، بالإضافة إلى المواد خام ، ومصدر للطاقة بالنسبة للميكروبات.

يعتمد مصدر الطاقة المطلوب على الميكروب المحدد اللازم للوظيفة. على سبيل المثال ، يتم ‘ترشيح’ الذهب والنحاس بيولوجياً من خامات الكبريتيد باستخدام الكائنات الدقيقة التي يمكن أن تستمد الطاقة من مصادر غير عضوية ، عن طريق أكسدة الكبريت والحديد.

Microorganisms in tanks leach the minerals from any source material. Courtesy of Pacific Northwest National Laboratory.
الكائنات الدقيقة في المفاعلات الحيوية ترشح المعادن من أي مادة – مختبر شمال غرب المحيط الهادئ الوطني.

ومع ذلك ، يتم التماس العناصر الأرضية النادرة من الخامات غير الكبريتية باستخدام الكائنات الدقيقة التي تتطلب مصدر كربون عضوي ، لأن هذه الخامات لا تحتوي على مصدر طاقة قابل للاستخدام. في هذه الحالة ، يتم إضافة السكريات للسماح للميكروبات بالنمو.

مثل البشر تحتاج جميع الكائنات الحية إلى معادن لتنفيذ التفاعلات الإنزيمية الأساسية . البشر يحصلون على معادنهم من تركيزات ضئيلة في طعامهم. إلا أن الميكروبات تحصل على المعادن عن طريق إذابتها من المعادن الموجودة في بيئتها.

تقوم الميكروبات بإنتاج الأحماض العضوية والمركبات القابلة للإرتباط بالمعادن . يستغل العلماء هذه الصفات من خلال مزج الميكروبات في محلول مع الخامات وجمع المعادن الطافية إلى الأعلى.

يجب مراقبة درجة الحرارة والسكريات ومعدل تحريك الخزان والحموضة وثاني أكسيد الكربون ومستويات الأكسجين وصقلها لتوفير ظروف عمل مثالية.

تمت معالجة مخلفات الكوبالت الغنية التي تُركت منذ عقود في منجم نحاس سابق في كاسيسي ، أوغندا ، مؤخراً من خلال التصفية البيولوجية لاستخراج الكوبالت وإزالة التهديد البيئي الذي تشكله الرواسب.

فوائد التعدين الحيوي

طرق التعدين التقليدية تتطلب مواد كيميائية قاسية ، الكثير من الطاقة وتنتج العديد من الملوثات. على النقيض من ذلك ، يستخدم التعدين الحيوي القليل من الطاقة وينتج القليل من المنتجات الجرثومية مثل الأحماض العضوية والغازات.

ولأنها بسيطة و رخيصة ، يمكن أن يستغل التخصيب بفاعلية مصادر منخفضة الجودة للمعادن (مثل مخلفات المناجم) التي كانت في الغالب غير اقتصادية باستخدام الطرق التقليدية.

تتجه العديد من الدول بشكل متزايد إلى التعدين الحيوي ، مثل فنلندا وتشيلي وأوغندا. لقد استنفذت شيلي الكثير من خاماتها الغنية بالنحاس وتستخدم الآن التكنولوجيا الحيوية ، في حين أن أوغندا تستخرج الكوبالت من مخلفات مناجم النحاس لأكثر من عقد من الزمان.

لماذا نحتاج إلى عناصر أرضية نادرة؟

وتشمل العناصر الأرضية النادرة مجموعة من 15 نوع من اللانثانيدات و هي العناصر الموجودة بالقرب من أسفل الجدول الدوري ، بالإضافة إلى الإسكانديوم و عنصر اليتريوم (الإتريوم) وهي تستخدم على نطاق واسع في جميع الأجهزة الإلكترونية تقريبا ، وهي مطلوبة بشكل متزايد من قبل السيارات الكهربائية وصناعات الطاقة المتجددة.

التعدين الحيوي للمخلفات
استخراج المعادن من أجهزة الكمبيوتر القديمة بالتعدين الحيوي ممكن

الخصائص الذرية الفريدة لهذه العناصر تجعلها مفيدة كمغناطيسات وفوسفورات. إنها تستخدم كمغناطيس قوي وخفيف الوزن في السيارات الكهربائية ، وتوربينات الرياح ، ومحركات الأقراص الصلبة ، والمعدات الطبية ، وكمواد فوسفورية في إنارة أكثر كفاءة في استهلاك الطاقةفي مصابيح LED للهواتف المحمولة وأجهزة التلفزيون وأجهزة الكمبيوتر المحمولة.

وعلى الرغم من اسمها ، فإن العناصر الأرضية النادرة ليست نادرة وبعضها في الواقع أكثر وفرة من النحاس والنيكل والرصاص في القشرة الأرضية. ومع ذلك ، على عكس هذه المعادن الأولية التي تشكل الخامات (معدن أو صخور طبيعية بها مادة سهلة الاستخلاص يمكن استخراجها بسهولة) ، فإن العناصر الأرضية النادرة منتشرة على نطاق واسع. ومن ثم ، فإنه من الناحية الاقتصادية تكون موجودة كمنتجات ثانوية إلى جانب معادن أولية مثل الحديد والنحاس.

يأتي أكثر من 90 في المائة من العناصر الأرضية النادرة في العالم من الصين حيث تسبب احتكار الإنتاج والقيود التجارية والتعدين غير القانوني في تقلب الأسعار بشكل كبير على مر السنين.

تعتمد معظم تكنولوجيات الطاقة المتجددة على معادن أرضية نادرة ، مثل ألواح الطاقة الشمسية.

العناصر النادرة مهمة للتكنولوجيا الحديثة
العناصر النادرة تستخدم لإنتاج ألواح الطاقة الشمسية

ووصفت تقارير من وزارة الطاقة الأمريكية والاتحاد الأوروبي ولجنة الاستخبارات الأمريكية العديد من العناصر الأرضية النادرة بأنها مواد بالغة الأهمية ، استناداً إلى أهميتها بالنسبة للطاقة النظيفة ، وارتفاع مخاطر الإمداد ، وعدم وجود بدائل.

تشجع هذه التقارير البحث والتطوير على طرق التعدين البديلة مثل التعدين البيولوجي كإستراتيجية تخفيف محتملة.

استجابة لهذه النداءات ، استخدمت المختبرات في جامعة كورتين وجامعات بيركلي كائنات دقيقة لتذويب المعادن الشائعة ذات العناصر الأرضية النادرة. وقد أظهرت دراسات القياس التجريبية هذه نتائج واعدة ، حيث ارتفعت معدلات الاستخراج إلى معدلات الاستخراج التقليدية.

ولأن معظم الإلكترونيات تتمتع بعمر قصير وقليل من إعادة التدوير ، فإن المختبرات تقوم بتجريب الاستخدام في الأماكن الحضرية. على سبيل المثال ، شهدت دراسات التصفية الحيوية النجاح في استخلاص مسحوق الفوسفور من لمبات الفلورسنت ، واستخدام الكائنات الدقيقة لإعادة تدوير العناصر الأرضية النادرة من النفايات الإلكترونية مثل مغناطيسات الأقراص الصلبة.

العناصر الأرضية النادرة حاسمة لمستقبل تقنيتنا. يوفر التعدين الحيوي طريقة للحصول على هذه الموارد القيمة بطريقة مستدامة بيئيًا وممكنة اقتصاديًا.

استخراج الذهب من مكونات الكمبيوتر و الموبايل القديم حقيقة أم وهم

ما هو الكربون النشط و كيف تحول الفحم العادي إلى فحم نشط ؟

مصادر للاستزادة

https://www.engineeringforchange.org/news/biomining-elements-future

https://www.americangeosciences.org/critical-issues/faq/what-biomining

اترك رد