Natuurlijk materiaal vergemakkelijkt de scheiding van zeldzame aardmetalen – bacterieel eiwit scheidt neodymium en dysprosium van elkaar in slechts één stap
Selective Bonding: Tot nu toe konden zeldzame aardmetalen als grondstof slechts met grote moeite van elkaar worden gescheiden. Maar in de toekomst zou een uit bacteriën geïsoleerd eiwit deze scheiding enorm kunnen vereenvoudigen, rapporteren onderzoekers in het tijdschrift Nature. Tijdens het testen was het lamoduline-eiwit in staat om belangrijke grondstoffen zoals neodymium en dysprosium van elkaar te scheiden met een goede opbrengst en zuiverheid van 98 procent – in een enkele stap. Door specifiek zijn bindingsplaatsen aan te passen, kan het ook worden aangepast aan andere zeldzame aardmetalen.
Of het nu gaat om neodymium, scandium, ytterbium of praseodymium: zeldzame aardmetalen zijn voor veel moderne technologieën onmisbaar en daarom gewild. Maar bovenal is de verwerking van zeldzame aardmetalen erg ingewikkeld. Omdat de 17 zeldzame aardelementen chemisch en fysisch erg op elkaar lijken, is het moeilijk om ze te scheiden met behulp van gewone extractiemethoden.
Scheiding is het probleem
Hoewel Europa’s grootste afzetting van zeldzame aardmetalen pas onlangs in Zweden is ontdekt, blijft het onduidelijk hoe en waar deze ertsen worden verwerkt. Het is waar dat zeldzame aardmetalen in het bijzonder kunnen worden verrijkt uit oplossingen van andere metalen door fysische processen zoals Joule-flitsverwarming of met behulp van cyanobacteriën. Het kost echter veel tijd om de afzonderlijke elementen van elkaar te scheiden en ze in hun pure vorm te herstellen:
“Conventionele waterige minerale scheidingsprocessen van zeldzame aardmetalen gebruiken organische oplosmiddelen zoals kerosine en giftige fosfonaten, en vereisen tientallen, soms honderden stappen om uiterst zeldzame aardmetalenoxiden terug te winnen”, aldus Joseph Mattox van Penn State University en collega’s. Daarom zijn wetenschappers al lang op zoek naar organische natuurlijke materialen die een efficiëntere en eenvoudigere scheiding mogelijk maken.
Bacterieel eiwit bindt zeldzame aardmetalen
Nu hebben Mattox en zijn team gevonden wat ze zochten: ze ontdekten een natuurlijk eiwit dat van nature een bijzonder hoge affiniteit heeft voor bepaalde zeldzame aardmetalen. Dit lanmoduline-eiwit wordt geproduceerd door de bacteriesoort Hansschlegelia quercus, die pas onlangs werd ontdekt in eikenknoppen. Lanmodulin heeft vier handachtige bindingszakken waarmee het metaalatomen kan binden, waaronder zeldzame aardmetalen.
Zoals de onderzoekers ontdekten, heeft de nieuw ontdekte lanmoduline een affiniteit voor zeldzame aardmetalen die ongeveer 100 miljoen keer groter is dan andere mineralen zoals calcium. Binding aan zeldzame aardmetalen veroorzaakt een verandering in de conformatie van het eiwit, waardoor twee moleculen zich verenigen en maximaal drie zeldzame aardionen omsluiten. In dit opzicht meldt het team dat de nieuwe lamoduline aanzienlijk superieur is aan eerder bekende versies van dit eiwit.
Scheiding van neodymium en dysprosium in de test
De kritieke factor is echter dat lanmoduline niet op dezelfde manier interageert met alle REE’s, maar zich bij voorkeur bindt aan lichtere elementen uit deze groep. Als gevolg hiervan kan het worden gebruikt om mengsels van zeldzame aardmetalen te scheiden die kenmerkend zijn voor veel ertsen. “Dus hebben we onderzocht hoe goed lamoduline zeldzame aardmetalen zoals neodymium en dysprosium kan scheiden, die belangrijke componenten zijn van permanente magneten”, zegt Mattox en zijn team.
Om dit te doen, verkregen de onderzoekers eerst grotere hoeveelheden van een eiwit geproduceerd door genetisch gemanipuleerde Escherichia coli-bacteriën. Vervolgens hechtten ze deze eiwitten aan het oppervlak van de nanodeeltjes, die fungeerden als ondersteunings- en filtratiemateriaal. Voor de eigenlijke test lieten de wetenschappers vervolgens een oplossing met vijf procent dysprosium en 95 procent neodymium, typisch voor elektronische schrootrecycling, door een kolomfilter met deze korrels erin.
Het resultaat: “Na slechts één reinigingsstap konden we 98 procent van het neodymium met een zuiverheid van 99,8 procent terugwinnen”, aldus het team. De lamoduline-nanobolletjes bonden selectief neodymiumionen en lieten opgelost dysprosium door. Een versie van lanmoduline werd enigszins gewijzigd in de aminozuurvolgorde totdat het een zuiverheid van meer dan 98 procent en een opbrengst van 99 procent bereikte voor elk van de zeldzame-aardmetalloïden – in slechts één stap.
Een handig uitgangspunt voor verdere verbeteringen
Volgens de onderzoekers laten deze resultaten zien dat de bacteriële lamoduline-eiwitten niet alleen geschikt zijn voor de extractie van REE’s uit minerale oplossingen, ze kunnen ook de scheiding van verschillende REE’s vergemakkelijken en verkorten. Elutie met 0,1 M HCl was voldoende om bijvoorbeeld neodymium uit de lanmoduline-nanocapsules te verwijderen.
Daarom achten Mattox en zijn team het nuttig om het onderzoek naar lamoduline als adsorbentia voor zeldzame aardmetalen voort te zetten. Omdat ze de binding van deze moleculen aan deze elementen in detail hebben bestudeerd, opent hun studie ook andere mogelijkheden om de selectiviteit van deze eiwitten te veranderen en te verbeteren. (Natuur, 2023; doi: 10.1038/s41586-023-05945-5)
Bron: Natuur
“Analist. Schepper. Zombiefanaat. Fervente reisjunkie. Popcultuurexpert. Alcoholfan.”