A proteína de ferritina pode ser usada para separar metais críticos de resíduos eletrônicos

Quando telefones ou computadores são reciclados, pequenas quantidades de materiais importantes são descartadas. Essas quantidades minuciosas de cobalto, níquel e lítio aumentam rapidamente, e separar e recuperar esses “materiais críticos” para reutilização é um trabalho sujo e intensivo em energia.

A New Pitt Analysis descobriu que existem proteínas que podem fazer o mesmo trabalho sem o uso de produtos químicos severos e demandas de energia rigorosas. Meng Wang, professor assistente de ambiental e Engenharia Civil na Escola de Engenharia de Swanson, usou ferritina recuperar com sucesso alguns desses mesmos metais críticos de uma solução líquida.

Em 2019, os Estados Unidos geraram quase 7 milhões de toneladas de eletrônicos, mas apenas 15% de seu materiais críticos são recuperados. “Isso é inferior à média mundial de 17%”, disse Wang, citando pesquisas publicadas em 2020 e 2021.

E esses metais não recuperados valem cerca de US $ 7 bilhões. “Se eles puderem ser reciclados, os metais críticos podem ser usados ​​para complementar a cadeia de suprimentos”, disse Wang.

O laboratório de Wang se concentra em usar proteínas para Remediação ambiental e, geralmente, para ajudar nos esforços de sustentabilidade. Ele se virou para a ferritina, uma proteína com paredes porosas em sua superfície, o que leva a uma cavidade dentro. Proteínas como essa são chamadas de nanocages devido à sua capacidade de prender materiais menores no inside.

Menos de 10 anos atrás, os pesquisadores começaram a usar uma proteína diferente, a lanmodulina (LANM), para prender materiais de terras raras. “Fomos inspirados neste estudo”, disse Wang.

Ele e sua equipe já estavam trabalhando com a ferritina quando viu um pedido de uma ferramenta de biominação – um microorganismo que pode ser usado para extrair metais de rochas ou outros materiais. Eles se voltaram para a proteína para ver se poderia funcionar da mesma forma que Lanm.

A equipe tinha motivos para ter esperança: o inside de nanocages de ferritina carrega acusações negativas densas. Estudos anteriores mostraram que os nanocages de ferritina poderiam seqüestrar metais, então Wang decidiu descobrir se a proteína period de alguma forma seletiva sobre quais metais sequestravam e que deixou não perturbado.

A maioria dos metais críticos em um Bateria de íon de lítio estão em seu cátodo, geralmente um sólido e seu eletrólito, que é líquido. Para recuperá -los, os metais do cátodo são lixiviados em uma solução líquida. O resultado é uma mistura líquida de cobaltoíons de níquel e lítio, em vez de uma solução relativamente simples contendo um metallic, que seria mais fácil de recuperar.

“É por isso que a seletividade é basic”, disse Wang. “Você quer o proteína para separar ou recuperar seletivamente os metais. “

A equipe executou várias experiências para testar a seletividade da Ferritin. Eles o adicionaram a uma solução com íons cobalto e descobriram que a ferritina não period apenas seletiva para o metallic, mas tinha uma afinidade tão forte que a concentração de cobalto dentro dos nanocages period milhares de vezes maior do que a deixada na solução. Essa afinidade criou pontos quentes de íons metálicos que precipitaram do líquido e afundaram no fundo, onde foram facilmente recuperados.

A Ferritin também tinha uma forte afinidade pelos íons de níquel, embora não seja tão forte quanto para o cobalto, mas quase não tinha afinidade pelo lítio – o que period uma boa notícia.

“Por fim, queremos recuperar metais como cobalto e níquel através da precipitação”, disse Wang. “Então deixamos o lítio na solução. Se você receber uma solução de lítio relativamente pura, isso é muito mais fácil para o processamento a jusante.

Esse processo também tem o benefício de ocorrer em condições benignas e neutras. As práticas atuais, como a extração de solventes, requerem o uso de produtos químicos agressivos que exigem descarte cuidadoso.

O próximo passo para Wang é investigar por que a Ferritin tem uma afinidade por alguns metais, mas não outros.

Parte do motivo da discrepância, disse Wang, tem a ver com carga. O inside dos nanocagos têm fortes cargas negativas, enquanto os três metais são positivos, mas os íons cobalto e níquel têm uma carga positiva mais forte (+2) que o lítio (+1).

Isso não pode ser a história toda, no entanto. “Embora o cobalto e o níquel sejam +2, ainda observamos uma diferença significativa de adsorção entre os dois”, disse Wang. “Essa parte ainda não entendemos.”

A equipe espera que uma melhor compreensão da seletividade da Ferritin lhes permitirá refinar as nanocages, engenharia uma que seleciona apenas o cobalto e um que seleciona níquel.

“Então, você teria três tanques”, disse Wang sobre seu objetivo de longo prazo. “O primeiro tanque usa uma ferritina para se recuperar níquelo segundo tanque usa uma segunda ferritina para recuperar o cobalto e depois temos um lítio solução para processamento a jusante. “