蛋白質感測器助力從酸性礦井排水中提取稀土元素

研究人員開發的一種蛋白質感測器在遇到稀土元素鋱時發出綠色的光，可以提升美國在酸性礦井排水中開採稀土金屬的進展。

該工具是第一個基於發光的感測器，可以在酸性的複雜環境樣本中以極低的水準對鋱進行定量。如果實現商業化，它可以使勘探者有能力在廢棄的礦山尾礦中搜尋出這種具有經濟價值的元素。

稀土元素是風力渦輪機和電動汽車的重要組成部分。開採低品位稀土資源的技術，如煤炭副產品、電力廢料和礦井污水。

賓夕法尼亞州立大學的化學家Joseph Cotruvo說：“這確實是一種相當簡單的方法，它的靈敏度與目前的技術水準相似，該工具仍在研究和開發中，其性能與高度精確的實驗室儀器一樣好，但會更快，更容易操作。

匹茲堡國家能源技術實驗室（NETL）的承包商Scott Crawford說：“如果該感測器可以大規模生產或重複使用，這將大大降低國內稀土生產的特徵成本，他沒有參與該感測器的開發。他說，增加美國的稀土生產對美國的經濟、環境和國家安全至關重要。”

其他研究人員也在開發感知稀土的新方法。來自NETL的研究人員已經測試了液體中的光纖傳感器，而愛達荷國家實驗室的科學家們正在研究一種使用發光檢測的感測器。

這種蛋白質感測器來自Methylorubrum extorquens細菌中發現的一種蛋白質，這種細菌生活在土壤、植物和其他環境中。這種感測器可以作為一種設備的一部分，當酸性礦井排水中出現鋱元素時提醒現場技術人員。

蛋白質lanmodulin可以選擇性地檢測鋱，即使在溶液中溶解有其他稀土或重金屬的情況下。研究人員使用色氨酸，一種比鋱更有效地吸收光的光敏劑，將能量轉移到鋱上以激發它。然後，鋱會發出幾個波長的光，最強烈的是545納米的綠光。鋱的存在越多，發光就越強烈。

鋱是最有價值的稀土之一，它被認為是經濟上最關鍵的五種稀土之一。Crawford說：“這項工作代表了稀土檢測領域的一個重大進展。該感測器必須具有超強的選擇性，就像在乾草堆中找到傳說中的針一樣，專門與稀土結合，而不是與樣品中的其他元素結合。”該團隊在《美國化學學會雜誌》上發表了其成果。

Cotruvo說，這種感測器的一個局限性是，金屬必須在液體溶液中才能被檢測到，他希望這種蛋白質感測器將在5年內得到全面發展。

目前，美國能源部（DOE）正在資助30多個專案，從煤礦及其廢棄物中提取稀土元素。煤灰、廢石、年輕的褐煤、污泥和酸性礦井排水都是稀土的寶庫，但提取這些寶貴材料所需的技術尚未進入商業市場。

美國的40個硬岩礦每年產生170-270億加侖的污染水。酸性礦井排水是由地下礦井流出的水形成的。岩石中的含硫礦物質使流經它的水變成了酸性。反過來，酸性水從岩石中浸出重金屬（包括稀土）。這種高度腐蝕性的水威脅著水生生物和水供應。

據環保非營利組織Earthworks在2013年稱，美國的40個硬岩礦每年產生170-270億加侖的污染水。但將廢物轉化為收入已成為能源部和NETL的一個優先事項。在2017年提交給美國國會的一份報告中，這些團體表示，美國的兩個煤炭和煤灰區可以提供數百萬噸的稀土元素，這遠遠高於每年10萬噸的國內需求。

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