Наука и безопасность
www.pamag.ru








Блог Шаблон

Новость

Новые технологии переработки электронных отходов

07.05.2022 <<Назад

Наше объединенное общество потребителей производит много электронных отходов, около 50 миллионов тонн в год по всему миру . Даже в настоящее время это отходы, которые показывают самый сильный рост из года в год. Стоимость сырья, входящего в состав этих отходов, оценивается в 50-60 миллиардов евро в зависимости от цен на материалы. Законодательство и каналы переработки этих отходов организованы во многих странах благодаря расширенным системам ответственности производителя , но в настоящее время только 20% перерабатывается в сертифицированном процессе. Кроме того, из шестидесяти химических элементов, присутствующих в электронных отходах, перерабатывается только меньшая часть, а именно десять (золото, серебро, платина, кобальт, олово, медь, железо, алюминий и свинец). Все остальное оказывается впустую на свалках.

Идеалом, с точки зрения экономики замкнутого цикла, было бы, с одной стороны, максимально продлить срок службы этих электронных устройств, в частности, за счет продления первого использования (как, например, скупка переключателей), а с другой стороны, облегчить и благоприятствовать повторному использованию. или ремонт. Факт остается фактом: эти свалки представляют собой настоящие «городские шахты»: потенциальные залежи для тех, кто знает, как их эксплуатировать.

Как мы боремся с электронными отходами?

Переработка электронных отходов означает разделение материалов, молекул или химических элементов, чтобы их можно было продавать в качестве сырья для производства новых продуктов. Сначала вы должны демонтировать устройства и компоненты, отсортировать их, измельчить и, наконец, разделить материалы, чаще всего путем сжигания, а затем с помощью химических процессов на основе растворов.

Получить больше химикатов из городской шахты легче сказать, чем сделать. Электронные отходы очень разнообразны по своей природе и часто смешиваются с другими видами отходов. Таким образом, состав отходов, подлежащих обработке, варьируется от одной лопаты золы мусоросжигательного завода или от одной партии отходов к другой. Это контрастирует с эксплуатацией «традиционного» рудника, где состав руды намного проще и постоянен, по крайней мере, в сравнении.

Перед химиком стоит чрезвычайно сложная проблема разделения. Это отчасти объясняет, почему индустрия вторичной переработки в настоящее время сосредоточена на наиболее концентрированных или экономически привлекательных металлах для восстановления, отсюда и приведенный выше список.

Новая стратегия: разбирать, сортировать, измельчать, растворять

Сортировка направлена ??на минимизацию химической сложности обрабатываемой смеси, а также ее изменчивости. Это можно сделать во всех масштабах: прибора (типа, поколения), его модулей (печатных плат, аккумуляторов, внешних оболочек, корпусов и т. д.), их элементарных электронных компонентов (кабелей, сопротивлений, емкостей, микросхем, голые доски и т. д.), или даже на уровне порошка, полученного в результате измельчения, которое можно проводить на всех описанных весах.

Теоретически наиболее эффективным подходом является полная разборка устройств. Но из-за многочисленности и сложности оборудования автоматизировать этот этап сложно: разборка по-прежнему в основном осуществляется вручную, а значит, ее стоимость зачастую слишком высока, чтобы можно было разобрать ее до уровня элементарных компонентов.

Следовательно, наиболее распространенным подходом среди переработчиков перед какой-либо химической обработкой является измельчение в масштабе устройства или его модулей с последующими этапами разделения частиц физическими методами с использованием различий в плотностях. или магнитные свойства. Затем, в зависимости от чистоты полученных порошков, применяют термическую или химическую обработку для уточнения состава конечных продуктов.

В последнем случае наиболее применяемым процессом разделения в растворе химических элементов является так называемая жидкостно-жидкостная экстракция . Обычно он заключается в растворении металлов или их оксидов в кислоте (например, в азотной кислоте), а затем в приготовлении эмульсии, т. е. эквивалента французского винегрета. Раствор кислоты («уксус») энергично смешивают с органическим растворителем (таким как керосин, «масло») в экстракционной колонне и одной или несколькими молекулами («горчица»), обладающими свойством стимулировать перенос определенных металлов (« вкусы») от кислоты к растворителю. Поскольку этот этап разделения редко бывает идеальным, его повторяют последовательно, чтобы достичь желаемого уровня чистоты. Иногда требуется несколько десятков, а то и сотен последовательных экстракций для достижения желаемой чистоты.

Оптимизация затрат и эффективности таких процессов требует изучения влияния очень большого количества параметров (например, концентрации химических соединений, кислотности, температуры и т. д.), чтобы определить комбинацию, представляющую наилучший компромисс.

Новые процессы для увеличения скорости переработки

В лаборатории СКАРСЕ мы работаем над новыми процессами, которые в итоге позволят «увеличить количество перерабатываемых химических элементов и увеличить скорость их переработки: с одной стороны механическими процессами (автоматизация разборки и сортировки), с другой стороны химическими экстракционные процессы в растворе.

Например, как мы видели, химический состав электронных отходов очень изменчив. Разработка процесса экстракции для определенного химического состава может легко занять от пяти до десяти лет исследований и оптимизации, а адаптация существующего процесса к новому составу (например, новому металлу) требует от нескольких месяцев до нескольких лет. Это вряд ли совместимо с объемами отходов, ресурсами и временем, выделяемыми на переработку отходов.

Микроскопический трубопровод для оптимизации извлечения элементов

Чтобы сократить время и стоимость разработки новых процессов экстракции, мы миниатюризировали и интегрировали в одном устройстве микрофлюидную автоматизацию всего оборудования, необходимого для исследования процесса. В микрофлюидном устройстве трубопровод меньше миллиметра (в нашем случае толщина 100 мкм, толщина двух волосков или меньше). Это позволяет использовать очень небольшое количество материала: несколько микролитров растворителей и кислот вместо миллилитров и несколько миллиграммов химических соединений вместо граммов. Благодаря интеграции методов анализа (рентгеновских лучей, инфракрасного излучения и датчиков) мы можем непрерывно, автоматически и быстро изучать различные комбинации параметров. Это позволяет нам провести исследование за несколько дней, что обычно может занять до нескольких месяцев.

Дополнительное преимущество микрофлюидики по сравнению с обычным устройством: мы лучше понимаем явления переноса химических элементов на границе раздела вода-нефть. Действительно, мы контролируем как поверхность обмена между водой и маслом благодаря использованию пористых мембран, так и время контакта между двумя фазами, которые проталкиваются в микрожидкостные каналы с помощью управляемых компьютером шприцевых насосов. После этого материальные потоки могут быть точно рассчитаны.

Восстановление редкоземельных элементов: драгоценные и мало перерабатываемые материалы

Этот подход недавно позволил нам изучить извлечение стратегических металлов , содержащихся в мобильных телефонах. Эти необходимые в современных технологиях металлы производятся в основном в Китае и в настоящее время мало перерабатываются – менее 5%. Это тем более прискорбно, что их производство очень дорого и может создавать социальные и экологические проблемы .

Наши результаты показывают, что комбинация двух конкретных экстрагирующих молекул позволяет извлекать редкоземельные элементы с эффективностью, почти в 100 раз превышающей эффективность экстракции молекулами, используемыми по отдельности. Кроме того, мы продемонстрировали эффективную экстракцию при концентрациях кислоты в 10–100 раз ниже тех, которые используются в промышленности, что приводит к меньшему загрязнению. Мы также определили комбинации параметров, которые позволяют намного эффективнее отделять редкоземельные элементы друг от друга, чего обычно очень трудно достичь за несколько шагов. Сейчас мы изучаем перенос этих результатов, полученных в очень малых масштабах, на инструмент промышленного производства.

Наконец, наш микрожидкостный подход является модульным, что означает, что каждый из модулей может найти свою полезность в других случаях, например, модуль жидкостной экстракции может быть полезен для изучения процессов экстракции органических молекул (эфирных масел); или модуль инфракрасной спектроскопии для онлайн-мониторинга сельскохозяйственных или фармацевтических процессов. Он позволяет определить количество несвязанной воды – это вода, которая окружает растворенные в ней молекулы, но не взаимодействует с ними, что является ключевым параметром, отслеживаемым во многих рецептурах этих отраслей.

<<Назад


Партнеры