Vårt uppkopplade konsumtionssamhälle genererar mycket elektroniskt avfall, runt 50 miljoner ton per år över hela världen. Det är till och med just nu avfallet som visar den starkaste tillväxten från ett år till ett annat. Värdet på de råvaror som ingår i detta avfall uppskattas till 50-60 miljarder euro, beroende på materialpriser. Lagstiftning och återvinningskanaler för detta avfall är organiserade i många länder, tack vare utökat producentansvarssystem, men för närvarande återvinns endast 20 % i en certifierad process . Dessutom, av de sextio kemiska grundämnen som finns i elektroniskt avfall, endast en minoritet återvinns, tio till antalet_:guld, silver, platina, kobolt, tenn, koppar, järn, aluminium och bly). Allt annat hamnar _ i fina_ avfall på soptippar.

Idealet, ur den cirkulära ekonomins synvinkel, skulle å ena sidan vara att förlänga livslängden för dessa elektroniska enheter så mycket som möjligt, särskilt genom att förlänga den första användningen, och å andra sidan för att underlätta och gynna återanvändning eller reparation. Faktum kvarstår att dessa deponier representerar verkliga "urbana gruvor":potentiella fyndigheter för dem som vet hur man exploaterar dem.

Hur hanterar vi elektroniskt avfall?

Återvinning av elektroniskt avfall innebär att separera material, molekyler eller kemiska grundämnen, så att de kan säljas som råvaror för tillverkning av nya produkter. Först måste du demontera enheterna och komponenterna, sortera dem, mal dem, och slutligen separera materialen, oftast genom förbränning och sedan genom lösningsbaserade kemiska processer.

Att få i sig mer kemikalier från stadsgruvan är lättare sagt än gjort. Elektroniskt avfall är mycket varierande till sin natur och blandas ofta med andra typer av avfall. Sammansättningen av det avfall som ska behandlas varierar därför från en spade med avfallsförbränningsaska eller från ett parti avfall till ett annat. Detta står i kontrast till utnyttjandet av en "traditionell" gruva där malmens sammansättning är mycket enklare och konstant, åtminstone i jämförelse.

Kemisten står inför ett extremt komplext separationsproblem. Detta förklarar delvis varför återvinningsindustrin för närvarande fokuserar på de mest koncentrerade eller ekonomiskt attraktiva metallerna att återvinna, därav listan ovan.

Ny strategi:demontera, sortera, slipa, upplösa

Sortering syftar till att minimera den kemiska komplexiteten hos blandningen som ska behandlas, såväl som dess variation. Det kan göras på alla skalor:enhetens (typ, generation), av dess moduler (tryckta kretsar, batterier, externa kuvert, ramar, etc.), av deras elementära elektroniska komponenter (kablar, motstånd, kapacitet, pommes frites, kala brädor etc.), eller till och med i nivå med pulvret som uppstår vid malning, som kan utföras på alla beskrivna skalor.

Den fullständiga demonteringen av enheter är teoretiskt sett den mest effektiva metoden. Men, på grund av utrustningens mångfald och komplexitet, det är svårt att automatisera detta steg:demontering sker fortfarande huvudsakligen manuellt, vilket innebär att kostnaden ofta är för hög för att tillåta sortering ner till nivån för de elementära komponenterna.

Följaktligen, det vanligaste tillvägagångssättet bland återvinningsföretag (MTB, Paprec, Véolia), före någon kemisk behandling, är slipningen i skalan för enheten eller dess moduler, följt av steg för separation av partiklarna genom fysikaliska metoder med användning av skillnaderna i densiteter eller magnetiska egenskaper. Beroende på renheten hos de erhållna pulvren, termiska eller kemiska behandlingar används sedan för att förfina sammansättningen av slutprodukterna.

I det senare fallet, den mest använda processen för separation i lösning av kemiska grundämnen är den så kallade vätske-vätskeextraktionen. Det består vanligtvis först av att lösa metallerna eller deras oxider i en syra (till exempel salpetersyra), gör sedan en emulsion, det vill säga motsvarigheten till en fransk vinägrett. Den sura lösningen ("vinäger") blandas kraftigt med ett organiskt lösningsmedel (som fotogen, "olja") i en extraktionskolonn och en eller flera molekyler ("senap") som har egenskapen att främja överföringen av vissa metaller ("smaker") från syra till lösningsmedel. Eftersom detta separationssteg sällan är perfekt, den upprepas i serier för att uppnå önskade renhetsnivåer. Flera dussin, till och med flera hundra, successiva extraktioner är ibland nödvändiga för att uppnå den önskade renheten.

Att optimera kostnaderna och effektiviteten för sådana processer kräver studiet av inflytandet av ett mycket stort antal parametrar (till exempel, koncentrationerna av kemiska arter, aciditet, temperatur, etc.) för att definiera den kombination som representerar den bästa kompromissen.

Nya processer för att öka återvinningsgraden

I laboratoriet SCARCE, vi arbetar med nya processer som i slutändan kommer att möjliggöra "öka antalet återvunna kemiska grundämnen och öka deras återvinningsgrad:å ena sidan med mekaniska processer (automatisering av demontering och sortering), å andra sidan med kemiska extraktionsprocesser i lösning.

Till exempel, som vi har sett, den kemiska sammansättningen av elektroniskt avfall är mycket varierande. Utvecklingen av en extraktionsprocess, för en specifik kemisk sammansättning, kan lätt ta fem till tio år av forskning och optimering och anpassningen av en befintlig process till en ny sammansättning (till exempel en ny metall) kräver flera månader till flera år. Detta är knappast förenligt med mängderna avfall, resurserna och den tid som finns tillgänglig för återvinning av avfall.

Mikroskopiska rör för att optimera utvinningen av element

För att minska tiden och kostnaderna för att utveckla nya utvinningsprocesser, vi har miniatyriserat och integrerat i en enda enhet mikrofluidikautomatiserad all utrustning som behövs för en processstudie. I en mikrofluidanordning, röret är mindre än en millimeter (i vårt fall 100 µm tjockt, tjockleken på två hårstrån eller mindre). Detta gör att mycket små mängder material kan användas:några mikroliter lösningsmedel och syror istället för milliliter, och några milligram kemiska föreningar istället för gram. Med integrationen av analysmetoder (röntgenstrålar, infraröd och sensorer), vi kan studera de olika kombinationerna av parametrar kontinuerligt, automatiskt och snabbt. Detta gör att vi kan göra en studie på några dagar som normalt kan ta upp till flera månader.

Ytterligare fördelar med mikrofluidik jämfört med en konventionell enhet:vi förstår bättre fenomenen med överföringar av kemiska element vid gränsytan mellan vatten och olja. Verkligen, vi kontrollerar både utbytesytan mellan vatten och olja tack vare användningen av porösa membran, samt kontakttiden mellan de två faserna, som trycks in i mikrofluidkanalerna med hjälp av datorstyrda sprutpumpar. Materialflöden kan då beräknas exakt.

Återvinning av sällsynta jordartsmetaller:dyrbart och lite återvunnet material

Detta tillvägagångssätt gjorde det nyligen möjligt för oss att studera utvinningen av strategiska metaller som finns i mobiltelefoner. Dessa metaller, väsentliga i modern teknik, produceras huvudsakligen i Kina och återvinns i liten utsträckning för närvarande – under 5 %. Detta är desto mer olyckligt eftersom deras produktion är mycket dyr och kan innebära samhälls- och miljöproblem.

Våra resultat visar att kombinationen av två specifika extraherande molekyler gör det möjligt att extrahera sällsynta jordartsmetaller med en effektivitet nästan 100 gånger större än effektiviteten för extraktioner med molekylerna som används separat. Dessutom, vi har visat effektiv extraktion vid syrakoncentrationer som är 10 till 100 gånger lägre än de som används inom industrin, som genererar mindre föroreningar. Vi har också identifierat kombinationer av parametrar som gör det möjligt att separera de sällsynta jordartsmetallerna mycket mer effektivt från varandra, vilket är konventionellt mycket svårt att uppnå i några få steg. Vi studerar nu införlivandet av dessa resultat, erhålls i mycket liten skala, till det industriella produktionsverktyget.

Till sist, vårt mikrofluidiska tillvägagångssätt är modulärt vilket innebär att var och en av modulerna kan hitta sin användbarhet i andra fall, till exempel, vätske-vätskeextraktionsmodulen kan vara användbar för att studera processer för extraktion av organiska molekyler (eteriska oljor); eller den infraröda spektroskopimodulen för onlineövervakning av agrifood eller farmaceutiska processer. Det låter dig bestämma mängden obundet vatten - det är vattnet som omger molekylerna som är lösta i det, men som inte interagerar med dem, en nyckelparameter att följa i många formuleringar av dessa branscher.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.