Этот быстрорастущий поток отходов содержит металлы стоимостью в миллиарды долларов, и стартапы ищут эффективные и устойчивые способы извлечения этого сокровища.
Мир тонет в электронных отходах. Согласно недавнему отчету Организации Объединенных Наций, поток электронных отходов, который мы произвели в 2022 году, содержал ценные металлы на сумму 91 миллиард долларов. Почти 40% этих металлов оказались на свалке, были сожжены в мусоросжигательных печах или были утилизированы неконтролируемым образом. Всего 4% некоторых металлов, необходимых для чистой энергии, были извлечены из электронных отходов. Добыча этих же металлов, а также неправильная переработка использованной электроники вызывают загрязнение и опасность для здоровья человека. Текущие процессы переработки требуют высоких температур и едких химикатов. Несколько исследователей и компаний разрабатывают экономичные, устойчивые методы извлечения большего количества ключевых металлов из электронных отходов. Эти подходы могут помочь обеспечить надежную, циклическую поставку этих материалов.
В темных углах полок на чердаке или в глубинах ящиков стола наверняка лежит коллекция неисправных ноутбуков, камер и игровых консолей. Телефон, на котором вы это читаете, вероятно, присоединится к этой куче хлама, как только устареет или его экран треснет.
Среднестатистический житель США выбросил 21 кг электроники в 2022 году, в то время как среднестатистический житель Норвегии — страны с самым высоким уровнем электронных отходов на душу населения — выбросил 27 кг. Эти цифры близки к весовому диапазону питбуля, и цифры складываются. Во всем мире люди выбросили рекордные 62 миллиона метрических тонн (т) электроники, согласно недавнему отчету ООН « Глобальный мониторинг электронных отходов 2024» . Это вес более 1,7 миллиона полностью загруженных полуприцепов, которые, если выстроить их бампер к бамперу, почти достигли бы экватора.
И этот мусор содержит сокровища. Металлы составили половину мирового электронного мусора, или электронных отходов, в 2022 году и стоили 91 миллиард долларов. Медь, железо и золото составили большую часть этой стоимости. Электронные отходы также содержат алюминий, платину и редкоземельные элементы, такие как неодим, которые имеют решающее значение для батарей и ветряных турбин, необходимых для перехода мира на зеленую энергию.
Добыча этих металлов разрушает среду обитания, загрязняет почву и воду , производит кучи отходов и связана с нарушениями прав человека . Кроме того, мировые поставки некоторых металлов геополитически шаткие. Использование городской добычи — извлечения материалов из отходов — для извлечения ценных металлов из электронных отходов смягчило бы эти проблемы. Это позволило бы обеспечить круговое использование материалов и помогло бы удовлетворить спрос на критически важные металлы. Это также предотвратило бы выбросы 52 миллионов тонн парниковых газов, связанных с добычей полезных ископаемых.
«У восстановленного сырья есть много преимуществ. Это гораздо шире, чем углеродный след», — говорит Кис Балде , старший научный специалист Института ООН по подготовке кадров и исследованиям и ведущий автор отчета. «Вот почему мы должны перерабатывать каждый грамм золота и неодима, которые находятся в электронных отходах».
Но, согласно отчету, мир должным образом переработал менее четверти электронных отходов. Большая часть отходов в конечном итоге была неофициально переработана на нерегулируемых объектах или сожжена на открытом воздухе, что приводит к растрате материалов и выбросу токсичных веществ, таких как ртуть и антипирены . Примерно еще четверть отправилась на свалки. Среди всей этой обработки электронных отходов почти 40% из 31 миллиона тонн металлов в отходах просто не были переработаны, говорится в отчете.
Почему мир растрачивает так много ценного материала? В основном виноваты плохое управление отходами, отсутствие регулирования, а также поведение потребителей и технологических компаний.
Однако отсутствие хороших технологий также является проблемой. Инновационные способы извлечения большего количества металлов с меньшими затратами и энергопотреблением сделают переработку более прибыльной, говорит Уилл Баркер, генеральный директор новозеландского стартапа Mint Innovation . «Переработка имеет низкую рентабельность, и переработчики ищут способы улучшить свои собственные итоговые показатели. Любая технология, позволяющая это сделать, делая переработку более эффективной, в конечном итоге увеличит темпы переработки».
Mint и несколько других стартапов, различные исследовательские группы и даже Королевский монетный двор в Великобритании берутся за задачу поиска экономически и экологически обоснованных способов дать ценным материалам в электронных отходах вторую жизнь. Некоторые команды используют биологию, в то время как другие изучают загадочные новые химии и используют электричество, чтобы докопаться до золотой жилы электронных отходов.
СТАВКА НА БИОЛОГИЮ
Грузовики с мешками, ломящимися от отработанных компьютерных схем, еженедельно прибывают на новенький завод по переработке Mint Innovation к западу от Сиднея. Mint перерезал ленточку на заводе в апреле. При работе на полную мощность предприятие будет использовать свой биологический процесс для переработки 3000 тонн собранных в городе электронных отходов в год, извлекая около 0,5 тонны золота и 800 тонн меди.
Стартап фокусируется на печатных платах (ПП), пластиковых панелях, содержащих электронику и проводку, которые являются сердцем наших гаджетов. Одна тонна ПП содержит не менее 200 кг меди, 0,4 кг серебра и 0,09 кг золота. Концентрация золота и других драгоценных металлов может быть в 10 раз выше, чем в природных рудах , и эти металлы составляют большую часть стоимости отработанной ПП.
ВСЕ, ЧТО БЛЕСТИТ
Электронные отходы содержат несколько металлов, которые являются ценными или которые Министерство энергетики США считает необходимыми для экономической и национальной безопасности. Ниже приведена разбивка по весу и стоимости некоторых металлов, содержащихся в 62 миллионах тонн электронных отходов, произведенных в мире в 2022 году.
Однако, согласно отчету ООН, только 20% драгоценных металлов были переработаны из электронных отходов, отчасти потому, что стоимость их восстановления слишком высока, чтобы иметь финансовый смысл. Уровень переработки меди был выше, на уровне 60%, но все равно слишком низок для металла, добыча которого не может поспевать за мировыми потребностями в электрификации .
Сложность электронных отходов затрудняет переработку. К ним относятся телефоны и ноутбуки, а также электронные сигареты и микроволновые печи — все, что имеет вилку или аккумулятор. В одном смартфоне может быть более четырех десятков металлов , некоторые из которых присутствуют в крошечных концентрациях. Игровые приставки содержат другой набор компонентов, чем те, что есть в ноутбуках. И даже в одном типе продукта материалы могут различаться в зависимости от года и модели. Электронные отходы также содержат опасные материалы, что делает переработку опасной и дорогой.
Аккумуляторы, печатные платы и жесткие диски являются основными компонентами электронных отходов и содержат высокие концентрации ценных металлов. Переработка аккумуляторов стала экономичной и быстро растет, поскольку эти устройства хранения энергии содержат значительные количества ценного кобальта и лития. Но это не относится к печатным платам и компьютерным дискам.
Небольшая часть электроники, которая сегодня собирается для переработки, отправляется на один из примерно дюжины плавильных заводов в Азии, Канаде и Европе. Эти крупные энергоемкие объекты, строительство и эксплуатация которых обходятся в миллиарды долларов, измельчают отходы и либо плавят их при высоких температурах для извлечения металлов, либо выщелачивают их едкими кислотами. Оставшийся пластик часто сжигают, используя в качестве топлива для нагрева плавильных заводов. Процесс плавки работает, но он производит выбросы углерода и токсичные побочные продукты. «Высокотемпературная обработка создает бесконечное количество гадостей, которые нужно вычищать», — говорит Баркер.
Mint утверждает, что ее биологический процесс перерабатывает ПХБ с минимальными затратами, выбросами и отходами. На ее биоперерабатывающем заводе молотковая мельница измельчает ПХБ в песчаный порошок, который проходит процесс гальванизации для извлечения меди в виде чистых листов. Оставшийся материал отправляется в реакторы, содержащие бактерии, которые выборочно поглощают золото. Затем рабочие извлекают биомассу, нагревают, сушат и очищают ее, образуя чистую золотую пыль. Компания использует мягкие реагенты для выщелачивания серебра, олова и других ценных металлов и, наконец, отправляет остаток фирмам-партнерам для повторного использования в кирпичах и дорожном покрытии.
Видение стартапа — построить сеть биоперерабатывающих заводов в крупных городах по всему миру. Баркер говорит, что Mint планирует вскоре открыть завод в США. Отказ от отправки электронных отходов на плавильные заводы снизит стоимость и сократит сроки выполнения, увеличив прибыль. «Большая часть электронных отходов производится в городских условиях», — говорит он. «Мы спроектировали завод, который можно подключить к городской инфраструктуре, такой как электроэнергия, вода и отходы, потому что переработка является чистой и не производит никаких гадостей».
В то время как Mint использует бактерии для добычи золота, другие команды используют микробов, которые жаждут редкоземельных элементов. Редкоземельные элементы, в том числе 15 лантаноидов, а также скандий и иттрий, используются для изготовления постоянных магнитов, которые используются в жестких дисках и динамиках смартфонов. Редкоземельные элементы также играют важную роль в двигателях ветряных турбин и электромобилей. Несмотря на свое название, эти элементы не являются редкими, но их концентрация в электронике низкая, поэтому извлечение их из выброшенной электроники затруднено. Из 12 миллионов кг редкоземельных элементов в электронном ломе в 2022 году около 1% было переработано.
Переработчики ищут способы улучшить свои собственные показатели. Любая технология, которая позволит это сделать, сделав переработку более эффективной, в конечном итоге увеличит темпы переработки.
Уилл Баркер, генеральный директор Mint Innovation
Некоторые бактерии, такие как Vibrio natriegens и Shewanella oneidensis , имеют склонность к поглощению редкоземельных элементов из химических смесей. Исследователи Корнелльского университета генетически модифицируют микробов, чтобы повысить их способность поглощать редкоземельные элементы. Один штамм, который они недавно создали, поглощает на 210% больше диспрозия, чем дикий тип ( ACS Synth. Biol. 2023, DOI: 10.1021/acssynbio.3c00484 ).
Однако в конце концов «бактерии медлительны», говорит Джозеф Котруво-младший , химик из Университета штата Пенсильвания. Его команда сразу же занялась белками бактерий. В 2018 году исследователи обнаружили, что живущие в растениях бактерии, питающиеся метанолом, используют тип белка, известный как ланмодулин, для впитывания лантаноидов, которые нужны насекомым для переваривания метанола. Этот белок имеет особенно сильное сродство к неодиму, наиболее используемому редкоземельному элементу в электронике. Поэтому исследователи вместе с Дэном Парком и коллегами из Национальной лаборатории Лоуренса в Ливерморе закрепили белок на микрогранулах смолы, упаковали гранулы в колонку и использовали его для извлечения редкоземельных элементов из металлических растворов , имитирующих состав электронных отходов.
В прошлом году группа Котруво нашла еще один ланмодулин , который может решить важную задачу по извлечению редкоземельных элементов из постоянных магнитов. Схожие размеры и химия элементов затрудняют разделение, и обычно это делается с использованием токсичных химикатов и большого количества энергии. Но новый ланмодулин связывается с неодимом сильнее, чем с более тяжелым диспрозием. Для разделения двух элементов требуется просто изменить pH или добавить хелатирующий агент, такой как цитрат.
«Белок удерживается на неодиме вплоть до более низкого значения pH, поэтому вы можете изменить pH, чтобы выборочно десорбировать диспрозий, а затем удалить неодим в конце», — говорит Котруво. «Или добавить цитрат, чтобы выборочно удалить диспрозий, потому что он менее прочно связан с белком. Мы все еще используем химию; мы просто используем биомолекулы, чтобы помочь нам с этой химией».
Котруво, Парк и их коллеги ищут другие природные белки ланмодулина и конструируют известные белки для улучшения селективности. Они также стремятся улучшить экономику извлечения редкоземельных элементов, создавая молекулы белка, которые меньше и имеют больше участков связывания редкоземельных элементов. Отделение под названием ReeTerra , в котором Котруво выступает в качестве консультанта, занимается дальнейшей разработкой биотехнологии для коммерциализации.
В ПОГОНЕ ЗА ХИМИЕЙ
По ту сторону океана официальный производитель монет Великобритании, Королевский монетный двор , существует уже 1100 лет. Древняя компания теперь использует передовую химию канадского стартапа Excir для извлечения золота из ПХБ за считанные минуты.
СОКРОВИЩЕ В РУКАХ
Металлы составляют около половины веса среднего смартфона (без учета батареи). Одиннадцать элементов составляют 97% экономической стоимости металлов телефона. Содержание золота и палладия невелико, но эти два элемента составляют львиную долю стоимости металла.
Великобритания производит второе по величине количество электронных отходов на душу населения после Норвегии. И «подавляющее большинство отслуживших свой срок печатных плат покидает Великобританию и отправляется на плавильные заводы в Европе или Юго-Восточной Азии», — говорит Джеймс Кук, директор по развитию бизнеса на заводе по восстановлению драгоценных металлов Королевского монетного двора, в 20 минутах к северо-западу от Кардиффа, Уэльс. «Там есть явный пробел с точки зрения британского аффинажного завода, который может справиться с проблемой электронных отходов».
На заводе машины измельчают ПХБ, отправленные центрами сбора по всей Великобритании, и механически сортируют материал на несколько потоков. Порошок, богатый драгоценными металлами, отправляется в большой реактор, заполненный ярко-зеленым раствором — секретным соусом, который, по словам Кука, останется секретным. Раствор растворяет золото всего за несколько минут при комнатной температуре и может быть использован повторно до 20 раз.
Техники очищают золото от темно-коричневого осадка и плавят его, образуя твердые самородки. Завод сортирует оставшийся материал на различные фракции для извлечения меди, стали и алюминия и превращает пластик и стекловолоконные композиты в строительные материалы. Королевский монетный двор и Excir также разработали дополнительные химические процессы для извлечения других драгоценных металлов, таких как палладий.
По словам Кука, завод, который выйдет на полную мощность к концу года, будет перерабатывать 4000 тонн ПХБ в год, что эквивалентно примерно 40 миллионам ноутбуков. Как и Mint Innovation, Королевский монетный двор надеется создать небольшие энергоэффективные заводы, которые будут стимулировать больше переработки электронных отходов, делая ее дешевле и проще, чем отправка этих отходов за границу.
Переработка электронных отходов на местном уровне также будет иметь ключевое значение для обеспечения поставок критически важных металлов без риска, говорит Джереми Мехта , менеджер по технологиям в Управлении передовых материалов и производственных технологий Министерства энергетики США (DOE). «Мы ввели термин «электрический 18» для критически важных материалов, которые важны для чистой энергии и подвержены сбоям в цепочке поставок», — говорит он.
Возьмем, к примеру, редкоземельные металлы. Сегодня Китай производит около 60% редкоземельных металлов в мире путем добычи и очищает и перерабатывает около 90%. В конце июня китайское правительство ввело правила, согласно которым редкоземельные металлы принадлежат государству, что вызвало опасения относительно угрозы чистой энергии и высокотехнологичным цепочкам поставок в странах за пределами Китая.
Премия Министерства энергетики США за развитие переработки электронного лома в размере 4 млн долларов , учрежденная в марте, является новейшей в череде недавних инициатив по извлечению критически важных материалов из электронных отходов . «Некоторые из этих технологий не обязательно являются заменой того, что уже существует, но мы хотим добавить ценность тому, что находится в потоке отходов», — говорит Мехта. «Важно все, куда мы можем переместить иглу. Алюминий и медь сейчас имеют более высокую скорость извлечения, но мы получаем лишь небольшую часть галлия и редкоземельных металлов. Если мы сможем увеличить извлечение галлия или неодима или извлечь все эти металлы одновременно, это было бы идеально».
При финансировании DOE специалисты по материалам из Национальной лаборатории Эймса разработали хитроумный химический процесс извлечения редкоземельных элементов из магнитов жестких дисков. Методы извлечения редкоземельных элементов, предложенные до сих пор, растворяют элементы с помощью кислот, но магнитный материал сначала необходимо отделить от измельченных электронных отходов, таких как жесткие диски, а затем размагнитить и окислить.
Вместо этого Икенна Нлебедим и коллеги помещают весь измельченный диск в раствор на основе меди, который избирательно растворяет редкоземельные элементы, оставляя другие металлы для последующего восстановления. Основы простого процесса изучаются на уроках химии в старших классах, говорит Нлебедим. «Когда вы помещаете гвоздь в раствор соли меди, через некоторое время гвоздь покрывается медью из-за ионного обмена. Медь из раствора выходит в виде металлической меди, а железо переходит в раствор. Вместо железа мы используем магниты, которые на 70% состоят из железа и содержат редкоземельные элементы».
В настоящее время исследователи используют материал на основе оксалата для извлечения редкоземельных элементов из раствора. Наконец, и это ключевое преимущество, сейчас они разрабатывают процесс получения редкоземельных элементов в форме, которую можно напрямую преобразовать в металлы. Большинство технологий переработки создают оксиды редкоземельных элементов, которые обычно преобразуются в металлы с помощью жесткой плавиковой кислоты. Этот этап преобразования является одной из причин, по которой США отправляют редкоземельные элементы за пределы страны для переработки , говорит он. «Сейчас США являются вторым по величине производителем редкоземельных элементов, но у нас нет внутренних возможностей для преобразования этих редкоземельных элементов в металл».
Примерно в 20 минутах езды к западу от Эймса, штат Айова, в городе Бун, TdVib перерабатывает более 1 тонны дисководов за партию на пилотном заводе, используя технологию, лицензированную в национальной лаборатории. Компания продолжает оптимизировать технологию. «Когда они лицензировали ее у нас, эффективность извлечения редкоземельных элементов из электронных отходов составляла 70%. Теперь они достигли 90%», — говорит Нлебедим.
ВЫБОРЫ ДЛЯ ЭЛЕКТРИКА
Другие компании и исследователи используют электрический подход к решению проблемы электронных отходов. Австралийская компания MTM Critical Metals и ее филиал в США Flash Metals USA расширяют технологию, которая позволяет извлекать металлы в мгновение ока. Разработанный в лаборатории химика Джеймса Тура из Университета Райса , метод, называемый флэш-джоулевым нагревом, заключается в применении интенсивного субсекундного импульса электрического тока к измельченным электронным отходам, нагревая их до более чем 2700 °C. Тепло испаряет металлы, которые конденсируются или растворяются в низкоконцентрированной соляной кислоте для разделения.
Если бы мы могли увеличить извлечение галлия или неодима или извлекать все эти металлы одновременно, это было бы идеально. Джереми Мехта, менеджер по технологиям, Управление передовых материалов и производственных технологий Министерства энергетики США
Тур говорит, что для некоторых металлов требуется добавление хлора перед мгновенным нагревом, чтобы снизить их температуру кипения. Группа использовала этот метод для извлечения 20 видов металлов, включая золото, из электронных отходов. «Хлор такой дешевый, и вы получаете из него золото. Это как заплатить пенни, чтобы получить доллар».
MTM Critical Metals утверждает, что этот метод может стать переломным моментом в извлечении редкоземельных элементов . Компания мгновенно нагревает отходы, а затем применяет мягкое кислотное выщелачивание. Этот процесс снижает использование кислоты и производит меньше отходов, чем обычное выщелачивание. В ходе испытаний с использованием угольной летучей золы, порошкообразного отхода, который получается при сжигании угля в котле, компания извлекла на 50% больше редкоземельных элементов, в частности, на 72% больше неодима, чем при обычном методе. Компания планирует протестировать процесс на электронных отходах.
Тур говорит, что метод эффективен, потому что энергия идет в материал, а не в целую печь. «В плавильных печах вы плавите металлы вместе, а затем проходите через всю эту мокрую химию. Вы получаете кислотные потоки, основные потоки и потоки флокуляции. Это полный беспорядок. И у вас все еще есть все эти хвосты с таким количеством оставшегося металла. Вы проходите 30 этапов, чтобы получить один металл. Мы можем сократить количество этапов в 10 раз».
КРАЙНЕЕ СРЕДСТВО
Интерес к извлечению металлов из электронных отходов резко возрос в последние годы, говорит Морган Эванс , ученый-эколог из Battelle Memorial Institute, независимой научно-исследовательской организации. Многие новые технологии выглядят многообещающе, но для того, чтобы быть успешными, они должны будут оказывать низкое воздействие на окружающую среду и быть масштабируемыми. «Многие из этих технологий хорошо работают на стенде, но поместите их в пилотный реактор, и они не будут работать», — говорит она. Настраиваемая система, «которая будет полунезависима от того, что вы в нее вкладываете», также будет жизненно важна.
Но самая важная метрика — это стоимость. «В конце концов, чтобы что-то было принято промышленностью, нужно соответствовать экономическим показателям», — говорит Эванс. «Разработка технологий действительно может создать или разрушить некоторые экономические показатели».
Одной из главных причин плохой переработки электронных отходов является отсутствие законодательства о сборе, управлении, повторном использовании и переработке электронных отходов, говорит Балде из ООН. Даже страны, в которых есть законодательство, не всегда требуют вывоза металлов.
«Существуют цели и задачи по сбору, которые говорят, что 80% массы должно быть переработано», — говорит он. «Поэтому весь громоздкий пластик перерабатывается для получения материалов или энергии. Но некоторые из этих металлов присутствуют в небольших количествах или в низких концентрациях, поэтому они не играют большой роли в общем показателе переработки. Нет стимулов для стимулирования переработки критических металлов. Нам нужно лучшее законодательство, чтобы, скажем, стимулировать извлечение X количества неодима из жестких дисков».
Регуляторы также должны оказывать давление на компании, чтобы они разрабатывали продукты, которые служат дольше, которые легче повторно использовать и перерабатывать, и которые экономически эффективны в ремонте. Фактически, многие эксперты сходятся во мнении, что переработка должна быть последним средством. «Если ноутбук можно использовать повторно, так и должно быть», — говорит Кук из Королевского монетного двора. «Если его можно отремонтировать, давайте его отремонтируем. Если вы можете спасти компоненты, давайте это сделаем. Наш процесс переработки должен происходить только в самом конце, когда с этими печатными платами больше ничего нельзя сделать».
Согласно отчету ООН, с 2010 года объем электронных отходов вырос примерно в пять раз быстрее, чем объем сбора и переработки. Для решения этой масштабной проблемы потребуется политическая, промышленная и потребительская воля. Помимо синхронной работы технологов и политиков, потребители также должны быть более осведомлены о переработке электроники, говорит Баркер из Mint Innovation. «Мы работаем с местными сообществами, чтобы повысить уровень образования», — говорит он. «Все это двигает вещи в правильном направлении, но для решения этой проблемы и переработки всего потребуется очень много импульса и технологий».