Preliminary investigations of farm residues for the recovery by sorption of critical metals from seawater in a novel flow reactor
这项研究表明，农业残余物，特别是马铃薯皮，在一种新型连续流反应器中，可作为回收海水里钒、镍和铀等关键金属的有效低成本生物吸附剂，并揭示了由于生物过程和氧化还原驱动过程的作用减弱，流动条件相比静态系统显著降低了金属累积量。
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世界正向清洁能源转型，这一转型在很大程度上依赖于一组特定的矿物。这些材料通常被称为关键金属，是电池、电子设备以及低碳未来机械装置的核心成分。虽然我们目前从地面开采这些材料，但矿石正变得越来越难找，挖掘成本也越来越高。这种稀缺性使科学家的目光转向了海洋。海洋是一个巨大的储库，其中含有溶解的微量这些珍贵元素，但其含量如此之微小，以至于捕捉它们就像试图从沙滩中寻找一颗特定的沙粒一样。为了使这成为可能，研究人员需要能够高效且廉价地从水中抓取这些金属的材料。一个极具前景的想法是利用农场和食品加工过程中的废物——例如土豆皮或花生壳——作为天然海绵，从海水中提取这些金属。
兰卡斯特大学的一个研究小组决定以一种比以往尝试更贴近真实世界的方式来测试这个想法。他们并没有简单地将这些农业废料浸泡在装有海水的桶里并让其静置，而是构建了一个海水不断流经材料的系统。这种被称为“流动反应器”的装置模拟了海洋的持续运动，这也是如果该系统未来要在大规模应用时必须具备的工作方式。他们测试了四种不同类型的废物：桦木、大蒜粉、花生壳和土豆皮。目标是观察这些平凡的材料在二十八天内，在水流过它们时，哪种最能有效捕捉铀、钒和镍等金属。
实验结果表明，并非所有的废弃材料都同样出色。当海水在系统中流动时，土豆皮成为了明显的赢家。它们被证明是最稳定的材料，在成功从水中提取出铀、钒和镍的同时，还能很好地保持其形状。大蒜粉也表现出了一定的抓取金属的能力，但它难以在反应器内保持稳定，会分散到水中，导致难以测量其真实的性能。花生壳和桦木的表现则弱得多，其中一些材料甚至释放到水中的金属比捕捉到的还要多。然而，土豆皮始终降低了水中溶解的铀的含量，证明了它们可以作为一种有效的过滤器。
这项研究最重要的发现之一是这些材料在流动水流与静止容器中的行为差异。在早期的实验中，当水静止不动时，材料似乎吸收金属的速度非常快。然而，在这个流动系统中，收集到的金属量显著降低。这表明，在静止水中观察到的高吸收率不仅仅是材料像海绵一样发挥作用。相反，看起来生物体（例如生长在表面上的微小细菌膜）以及由环境驱动的化学反应在静止水中起到了主要作用。当水保持流动时，这些生物和化学辅助因素的效果就会减弱，这意味着原材料本身的效能并不像之前认为的那样强大。
尽管在流动系统中吸收量较低，但土豆皮仍能在一定程度上实现金属的富集，这在科学上具有研究意义。研究人员计算出，对于一种材料要真正具备矿业价值，它需要将金属浓缩到与我们目前开采的岩石相当的水平。虽然在这次特定测试中，土豆皮尚未达到那么高的标准，但它比其他任何材料都更接近这一目标，并在长达一个月的实验过程中保持了结构完整。研究结论认为，利用农业废物从海洋中回收金属在技术上是可能的，但仍需更多工作。反应器的设计需要改进，例如通过改变水的流动方式或废物的固定方式，以帮助材料发挥更好的作用。这项研究强调，虽然自然界提供了一种廉价且可再生的方式来收集这些关键资源，但要将其转化为实际应用，需要理解水、废物以及其中微观生命之间复杂的共舞关系。
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