DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202310642
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38262611
تاريخ النشر: 2024-01-23
المؤلف: Mohammad Peydayesh وآخرون
الموضوع الرئيسي: الامتصاص والامتصاص الحيوي لإزالة الملوثات
نظرة عامة
تدرس الدراسة استخدام ألياف الأميلويد البروتينية (AF) المستمدة من مصل اللبن كمواد ممتصة جديدة لاستعادة الذهب من النفايات الإلكترونية (e-waste). نظرًا للطلب المتزايد على استخراج الذهب بسبب استخدامه الواسع، فإن الطرق التقليدية غالبًا ما تكون كثيفة الموارد، مما يبرز الحاجة إلى بدائل أكثر كفاءة. تظهر الأبحاث أن الهلام الهوائي AF يظهر قدرة امتصاص ذهب كبيرة تبلغ 166.7 ملغ جرام\(^{-1}\) وانتقائية عالية للذهب مقارنة بالمعادن الأخرى الموجودة في النفايات الإلكترونية. علاوة على ذلك، تسهل هذه الهلامات الهوائية تحويل أيونات الذهب إلى رقائق بلورية مفردة، تحديدًا على طول المستوى (111)، مما يؤدي إلى كتل ذهب عالية النقاء تحتوي على حوالي 90.8٪ وزن من الذهب (21-22 قيراط) عند تطبيقها على المحاليل المستمدة من إذابة لوحات الأم للكمبيوتر.
تؤكد النتائج على إمكانية استخدام الهلام الهوائي AF كطريقة صديقة للبيئة وقابلة للتطبيق اقتصاديًا لاستعادة الذهب، مما يتماشى مع مبادئ إدارة الموارد المستدامة والاقتصاد الدائري. تؤكد تقييمات دورة الحياة والتحليلات الاقتصادية التقنية أيضًا جدوى استخدام مجاري صناعة المواد الغذائية، مثل بروتين مصل اللبن، في مواجهة التحديات المتزايدة المرتبطة بالنفايات الإلكترونية واستخراج الذهب.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأهمية التاريخية والمعاصرة للذهب، مع التأكيد على خصائصه الفريدة مثل التوصيل الممتاز، والمرونة، والتوافق الحيوي، مما أدى إلى استخدامه الواسع في مختلف الصناعات بما في ذلك الإلكترونيات، والتحفيز، والتكنولوجيا الحيوية. باعتباره موردًا غير متجدد يواجه طلبًا متزايدًا، أصبحت استعادة الذهب من مصادر النفايات، وخاصة النفايات الإلكترونية—التي من المتوقع أن تصل إلى 61.3 مليون طن في عام 2023—أمرًا ضروريًا. تُلاحظ الطرق الحالية، وخاصة تلك التي تستخدم الكربون المنشط لاستخراج الذهب، أنها غير فعالة وكثيفة الموارد، مما يستدعي الحاجة إلى بدائل أكثر فعالية.
لقد حددت الأبحاث الحديثة ألياف الأميلويد البروتينية (AF) كمواد ممتصة واعدة لإزالة المعادن الثقيلة، بما في ذلك الذهب. تمتلك هذه الألياف النانوية نسبة عالية من السطح إلى الحجم ووظائف سطحية معيارية، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من التطبيقات. من الجدير بالذكر أن AF يمكن أن تُستخرج من نفايات الطعام، مثل مصل اللبن، مما يقدم فرصة لتقدير المنتجات الثانوية لصناعة الألبان مع معالجة تحديات النفايات الإلكترونية. تقترح هذه الدراسة نهجًا مزدوج الفائدة، باستخدام مصل اللبن لإنشاء هلامات هوائية AF لاستعادة الذهب بشكل انتقائي من النفايات الإلكترونية، وبالتالي تعزيز مبادئ الاستدامة والاقتصاد الدائري من خلال التخفيف من الآثار البيئية الناتجة عن كل من النفايات الإلكترونية ونفايات الطعام.
طرق
في القسم التجريبي من الدراسة، تم استخدام مواد متنوعة لتحضير إطار الممتص (AF). تم الحصول على عزل بروتين مصل اللبن من Fonterra، بينما تم الحصول على مواد كيميائية مثل حمض الهيدروكلوريك (HCl)، وحمض النيتريك (HNO₃)، وبورات الصوديوم، وهيدروجين الفوسفات الصوديوم (SHP)، وحمض البوتانيتتراكاربوكسيليك (BTCA) من Sigma Aldrich. تم تحضير محاليل المعادن القياسية باستخدام أملاح المعادن بما في ذلك نترات الرصاص(II) (Pb(NO₃)₂)، ونترات النحاس(II) (Cu(NO₃)₂)، وكلوريد الذهب(III) (HAuCl₄)، وثلاثي أكسيد الكروم (CrO₃)، ونترات النيكل(II) (Ni(NO₃)₂)، وكلوريد المنغنيز(II) (MnCl₂)، وكلوريد الحديد(III) (FeCl₃)، وكلوريد الزنك (ZnCl₂)، أيضًا من Sigma Aldrich. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام فلتر Britta مصنوع من الكربون المنشط لتقييم أداء امتصاص الذهب، وتم تفكيك لوحات الأم للكمبيوتر لمزيد من التحليل.
تضمن تحضير AF إنشاء محلول بروتين مصل اللبن بتركيز 2٪ وزن عن طريق خلط 10 جرام من مسحوق بروتين مصل اللبن مع 490 مل من ماء Milli-Q. تم ضبط الرقم الهيدروجيني لهذا المحلول إلى 2 باستخدام محلول HCl بتركيز 1 م، تلاه الحضانة عند 90 درجة مئوية لمدة 5 ساعات. بعد الحضانة، تم تبريد المحلول بسرعة في حمام ثلجي. تم تأكيد تشكيل AF من خلال فحص المحلول تحت الضوء المستقطب للتحقق من وجود التشتت، مما يدل على نجاح تشكيل AF.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تخليق هلامات هوائية من ألياف الأميلويد (AF) من بروتين مصل اللبن من خلال التغير والتجمع الذاتي تحت ظروف حمضية ودرجات حرارة عالية. أظهرت الهلامات الناتجة كثافة منخفضة تبلغ 33.18 ملغ سم$^{-3}$ وبوروسية عالية (97٪)، مما يدل على استقرار ميكانيكي ومائي ممتاز. أظهرت الهلامات الهوائية انتقائية ملحوظة لأيونات الذهب، حيث حققت كفاءة إزالة بلغت 93.3٪ وسعة امتصاص قدرها 166.7 ملغ جرام$^{-1}$، بينما أظهرت امتصاصًا ضئيلًا للمعادن الأخرى مثل Cu وNi وPb. كانت الآلية الرئيسية لامتصاص الذهب تتضمن التخلخل الكيميائي الفائق الجزيئات الذي يسهل بواسطة الأحماض الأمينية على سطح AF، مع تعزيز التفاعلات الكهروستاتيكية للعملية.
كشفت حركيات امتصاص الذهب عن انخفاض سريع في التركيز، حيث تم إزالة 77٪ من أيونات الذهب خلال 5 دقائق، مما يشير إلى آلية تفاعل من الدرجة الثانية الزائفة. بالإضافة إلى ذلك، استكشفت الدراسة تأثير الرقم الهيدروجيني على سعة الامتصاص، حيث وجدت أن مستويات الرقم الهيدروجيني المنخفضة تفضل ارتباط أيونات الذهب بسبب الشحنة الإيجابية لهلام AF. لم تقم الهلامات الهوائية بامتصاص الذهب فحسب، بل أيضًا بتقليله إلى جزيئات نانوية ورقائق بلورية مفردة، تم تأكيدها بواسطة تقنيات توصيف متنوعة بما في ذلك SEM وXRD. تم إثبات إمكانية استعادة الذهب من النفايات الإلكترونية، حيث حافظت الهلامات الهوائية AF على سلامتها الهيكلية في ظروف حمضية قاسية وحققت كفاءة إزالة الذهب بلغت 66.8٪ من محاليل النفايات الإلكترونية. أشار التحليل الاقتصادي إلى عملية استعادة فعالة من حيث التكلفة، مع تقليل كبير في الأثر البيئي مقارنة بالطرق التقليدية التي تستخدم الكربون المنشط. بشكل عام، تقدم الهلامات الهوائية AF نهجًا واعدًا ومستدامًا لاستعادة الذهب بشكل انتقائي من كل من المصادر الاصطناعية والنفايات الإلكترونية.
DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202310642
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38262611
Publication Date: 2024-01-23
Author(s): Mohammad Peydayesh et al.
Primary Topic: Adsorption and biosorption for pollutant removal
Overview
The study investigates the use of protein amyloid nanofibrils (AF) derived from whey as a novel adsorbent for gold recovery from electronic waste (e-waste). Given the increasing demand for gold extraction due to its widespread application, traditional methods are often resource-intensive, highlighting the need for more efficient alternatives. The research demonstrates that AF aerogels exhibit a significant gold adsorption capacity of 166.7 mg g\(^{-1}\) and high selectivity for gold over other metals found in e-waste. Furthermore, these aerogels facilitate the conversion of gold ions into single crystalline flakes, specifically along the (111) plane, resulting in high-purity gold nuggets with approximately 90.8 wt% gold content (21-22 carats) when applied to solutions derived from dissolving computer motherboards.
The findings underscore the potential of AF aerogels as an environmentally friendly and economically viable method for gold recovery, aligning with principles of sustainable resource management and the circular economy. Life cycle assessments and techno-economic analyses further validate the feasibility of utilizing food industry side-streams, such as whey protein, in addressing the growing challenges associated with e-waste and gold extraction.
Introduction
The introduction highlights the historical and contemporary significance of gold, emphasizing its unique properties such as excellent conductivity, ductility, and biocompatibility, which have led to its extensive use in various industries including electronics, catalysis, and biotechnology. As a non-renewable resource facing increasing demand, the recovery of gold from waste sources, particularly e-waste—which is projected to reach 61.3 million tons in 2023—has become essential. Current methods, particularly those utilizing activated carbon for gold extraction, are noted to be inefficient and resource-intensive, prompting the need for more effective alternatives.
Recent research has identified protein amyloid fibrils (AF) as promising adsorbents for heavy metal removal, including gold. These nanofibrils possess a high surface-to-volume ratio and modular surface functionality, making them suitable for various applications. Notably, AF can be derived from food waste, such as whey, which presents an opportunity to valorize dairy industry byproducts while addressing the challenges of e-waste. This study proposes a dual-benefit approach, utilizing whey to create AF aerogels for the selective recovery of gold from e-waste, thereby promoting sustainability and circular economy principles by mitigating environmental impacts from both e-waste and food waste.
Methods
In the experimental section of the study, various materials were utilized for the preparation of the adsorbent framework (AF). Whey protein isolate was sourced from Fonterra, while chemicals such as hydrochloric acid (HCl), nitric acid (HNO₃), sodium borate, sodium hypophosphite (SHP), and butanetetracarboxylic acid (BTCA) were obtained from Sigma Aldrich. Standard metal solutions were prepared using metal salts including lead(II) nitrate (Pb(NO₃)₂), copper(II) nitrate (Cu(NO₃)₂), gold(III) chloride (HAuCl₄), chromium trioxide (CrO₃), nickel(II) nitrate (Ni(NO₃)₂), manganese(II) chloride (MnCl₂), iron(III) chloride (FeCl₃), and zinc chloride (ZnCl₂), also from Sigma Aldrich. Additionally, a Britta filter made from activated carbon was employed to benchmark gold adsorption performance, and computer motherboards were disassembled for further analysis.
The preparation of the AF involved creating a 2 wt% whey protein solution by mixing 10 g of whey protein powder with 490 mL of Milli-Q water. The pH of this solution was adjusted to 2 using a 1 M HCl solution, followed by incubation at 90 °C for 5 hours. After incubation, the solution was rapidly cooled in an ice bath. The formation of the AF was confirmed by examining the solution under polarized light to check for birefringence, indicating successful AF formation.
Discussion
In this study, amyloid fibril (AF) aerogels were synthesized from whey protein through denaturation and self-assembly under acidic conditions and high temperatures. The resulting aerogels exhibited a low density of 33.18 mg cm$^{-3}$ and high porosity (97%), demonstrating excellent mechanical and water stability. The aerogels showed a remarkable selectivity for gold ions, achieving a removal efficiency of 93.3% and an adsorption capacity of 166.7 mg g$^{-1}$, while exhibiting negligible adsorption for other metals such as Cu, Ni, and Pb. The primary mechanism for gold adsorption involved supramolecular chemical chelation facilitated by amino acids on the AF surface, with electrostatic interactions further enhancing the process.
The kinetics of gold adsorption revealed a rapid decrease in concentration, with 77% of gold ions removed within 5 minutes, indicating a pseudo-second-order reaction mechanism. Additionally, the study explored the effect of pH on adsorption capacity, finding that lower pH levels favored gold ion binding due to the positive charge of the AF aerogel. The aerogels not only adsorbed gold but also reduced it to nanoparticles and single crystalline flakes, confirmed by various characterization techniques including SEM and XRD. The potential for gold recovery from electronic waste was demonstrated, with the AF aerogels maintaining structural integrity in harsh acidic conditions and achieving a gold removal efficiency of 66.8% from e-waste solutions. The economic analysis indicated a cost-effective recovery process, with a significant reduction in environmental impact compared to traditional methods using activated carbon. Overall, AF aerogels present a promising and sustainable approach for selective gold recovery from both synthetic and e-waste sources.