فن آوری های جدید برای بازیافت زباله های الکترونیکی

تصویر: ستون استخراج پالس دار (معمولاً در حالت عمودی قرار دارد). JCP Gabriel, CEA Marcoule DES/ISEC/DMRC
 
جامعه مصرف کننده به هم مرتبط ما مقادیر زیادی زباله الکترونیکی، حدود 50 میلیون تن در سال، در سراسر جهان ایجاد می کند. حتی در حال حاضر نیز زباله هایی وجود دارد که بیشترین رشد را از یک سال به سال دیگر نشان می دهد. ارزش مواد اولیه موجود در این ضایعات بسته به قیمت مواد 50 تا60 میلیارد یورو تخمین زده می شود. کانال های قانونی و بازیافت این زباله ها، به لطف سیستم های گسترش یافته مسئولیتِ تولید کننده، در بسیاری از کشورها سازماندهی شده اند، اما در حال حاضر تنها 20٪ در یک فرآیند تایید شده بازیافت می شوند. ترکیبی از دو مولکول خاص استخراج کننده، این امر را امکان پذیر می سازد که عناصر نادر خاکی را با راندمانی تقریباً 100 برابر بیشتر از راندمان مربوط به استخراج با مولکول های جداگانه استخراج کنیم. علاوه بر این، از بین شصت عنصر شیمیایی موجود در زباله های الکترونیکی، فقط تعداد کمی در حدود ده تا بازیافت می شوند: طلا، نقره، پلاتین، کبالت، قلع، مس، آهن، آلومینیوم و سرب. همه ی چیزهای دیگر به پایان می رسد _ ریز ریز شده و در محل های دفن زباله از بین می روند.
 
از دیدگاه اقتصاد دایره ای، ایده آل این است که از یک طرف تا حد ممکن عمر این وسایل الکترونیکی را طولانی تر کنیم، به ویژه با طولانی کردن اولین استفاده، و از طرف دیگر استفاده مجدد و تعمیر آنها تسهیل و به آنها عطف توجه شود. واقعیتی که باقی می ماند این است که این محل های دفن زباله نمایانگر "معادن شهری" واقعی هستند: ذخیره های بالقوه برای کسانی که می دانند چگونه آنها را استخراج کنند.
 

چگونه با زباله های الکترونیکی رفتار کنیم؟

بازیافت زباله های الکترونیکی به معنای جدا کردن مواد، مولکول ها یا عناصر شیمیایی است، به طوری که بتوانند به عنوان مواد اولیه برای تولید محصولات جدید فروخته شوند. ابتدا باید دستگاه ها و قطعات را پیاده کنید، آنها را مرتب سازی کنید، آنها را خرد کنید و در آخر، اغلب با استفاده از سوزاندن و سپس توسط فرآیندهای شیمیایی مبتنی بر محلول، مواد را جدا سازی کنید.
 
اعتقاد بر این است که گرفتن قدری بیشتر از مواد شیمیایی از معدن شهری آسانتر از انجام این کار است. زباله های الکترونیکی از نظر طبیعت بسیار متنوع هستند و اغلب با انواع دیگر زباله ها مخلوط می شوند. این رویکرد اخیراً به ما امکان مطالعه استخراج فلزات استراتژیک موجود در تلفن های همراه را داده است. بنا بر این ترکیب زباله هایی که باید روی آنها کار شود، از یک بیل خاکستر زباله سوز یا یک مقدار مشخص زباله تا یکی دیگر متفاوت است. این در تقابل با بهره برداری از یک معدن "سنتی" است، که حداقل در مقایسه، ترکیب سنگ معدن بسیار ساده تر و ثابت است.
 
در این جا شیمیدان با یک مشکل جدا سازی کاملاً پیچیده مواجه است. این تا حدودی توضیح می دهد که چرا صنعت بازیافت در حال حاضر بیشتر روی چگال ترین فلزات یا فلزاتی که از لحاظ اقتصادی برای بازیابی جذابیت دارند تمرکز دارد، و از این روست که لیست بالا برای بازیافت ارائه شد.
 

استراتژی جدید: پیاده سازی، مرتب سازی، خُرد، و حل کنید

هدف از مرتب سازی (یا sorting) به حداقل رساندن پیچیدگی شیمیایی مخلوط مورد استفاده برای کار و همچنین تغییر پذیری بیشتر آن است. این امر در همه مقیاس ها، اعم از دستگاه (نوع ، نسل)، ماژول های آن (مدارهای چاپی، باتری، لفافه های خارجی، چارچوب ها و غیره)، اجزای الکترونیکی اصلی آنها (کابل ها، مقاومت ها، خازن ها، تراشه ها، بوردهای برهنه و غیره)، یا حتی در سطح پودر حاصل از خرد کردن که می تواند در تمام مقیاس های توصیف شده انجام شود، قابل انجام است.
 
پیاده سازی کامل دستگاه ها از نظر تئوری مؤثرترین رویکرد است. اما، به دلیل تعدد قطعات و پیچیدگی تجهیزات، خودکار کردن این مرحله دشوار است، و لذا پیاده سازی همچنان به طور عمده به صورت دستی انجام می شود، و این به این معنی است که هزینه آن اغلب آن قدر بالا است که اجازه مرتب سازی تا سطح اجزای اولیه را نمی دهد.
 
در نتیجه ، متداول ترین رویکرد در بین بازیافت کننده ها (MTB, Paprec, Véolia) قبل از هرگونه پردازش شیمیایی، آسیاب کردن در مقیاس دستگاه یا ماژول های آن است، و به دنبال آن، مراحل جدا سازی ذرات با روش های فیزیکی با استفاده از تفاوت در چگالی یا خواص مغناطیسی ذرات می آید. بسته به خلوص پودرهای به دست آمده، از تیمارهای حرارتی یا شیمیایی برای تصفیه ترکیب محصولات نهایی استفاده می شود.
   
تصویر: ستون استخراج پالس دار، به قطر 5 سانتی متر..JCP Gabriel, CEA Marcoule DES/ISEC/DMRC  توسط نویسنده ارائه شده است.
 
در حالت دوم، پروسه ای که بیشترین استفاده را در فرآیند جدا سازی در محلول عناصر شیمیایی دارد به اصطلاح استخراج مایع - مایع است. این معمولاً شامل حل کردن فلزات یا اکسیدهای آنها در یک اسید (به عنوان مثال اسید نیتریک) و سپس ساختن یک امولسیون، یعنی مثلاً معادل یک وینگرت فرانسوی، است. محلول اسید ("سرکه") به شدت با یک حلال آلی (مانند نفت سفید ، "روغن") در یک ستون استخراج، و یک یا چند مولکول ("خردل") که خاصیت تقویت انتقال فلزاتی معین ("طعم ها") از اسید به حلال را دارد، مخلوط می شود. از آن جا که این گام جدا سازی به ندرت گامی کامل خواهد بود، برای رسیدن به سطح خلوص مطلوب، این گام به صورت سریالی تکرار می شود. برای رسیدن به خلوص مطلوب، گاهی ده ها، و حتی چند صد استخراج پی در پی لازم است.
 
بهینه سازی هزینه ها و کارآیی چنین فرآیندهایی، مستلزم بررسی تأثیر تعداد بسیار زیادی از پارامترها (برای مثال، غلظت های انواع مواد شیمیایی، میزان اسیدی بودن، دما و ...) به منظور تعریف ترکیبی است که بهترین سازگاری را ارائه دهد.
 

فرآیندهای جدید برای افزایش نرخ بازیافت

در آزمایشگاهSCARCE ، ما در حال کار روی فرآیندهای جدیدی هستیم که در نهایت امکان افزایش تعداد عناصر شیمیایی بازیافت شده و افزایش میزان بازیافت آنها را فراهم می آورد: از یک طرف با فرآیندهای مکانیکی (اتوماسیون جدا سازی و مرتب سازی)، و از سوی دیگر با فرآیندهای استخراج شیمیایی در محلول.
 
به عنوان مثال، همان طور که دیدیم، ترکیب شیمیایی زباله های الکترونیکی بسیار متغیر است. توسعه یک فرآیند استخراج، برای یک ترکیب شیمیایی خاص، به راحتی می تواند پنج تا ده سال برای تحقیق و بهینه سازی زمان بگیرد، و جور کردن یک فرآیند موجود برای یک ترکیب جدید (به عنوان مثال یک فلز جدید) به چند ماه تا چند سال وقت نیاز دارد. این به سختی می تواند با حجم زباله ها، منابع و زمان در دسترس برای بازیافت زباله سازگار باشد.
 

لوله کشی میکروسکوپی برای بهینه سازی استخراج عناصر

برای کاهش زمان و هزینه توسعه تولید فرآیندهای جدید استخراج، ما در یک دستگاه منفرد که به صورت میکروسیالی خودکار شده است تمام تجهیزات لازم برای یک مطالعه فرایند را کوچک سازی و یکپارچه کردیم. در دستگاه میکروسیالی، طول لوله کشی از میلی متر کمتر است، و در مورد کار ما، ضخامت 100 میکرومتر، یعنی به کلفتی دو مو یا کمتر، است. این امر باعث می شود مقادیر بسیار کمی از مواد استفاده شود: چند میکرولیتر به جای میلی لیتر از حلال ها و اسیدها و چند میلی گرم به جای گرم از ترکیبات شیمیایی. برای رسیدن به خلوص مطلوب، گاهی ده ها، و حتی چند صد استخراج پی در پی لازم است.با ادغام روش های آنالیز (اشعه ایکس، مادون قرمز و سنسورها) می توانیم ترکیب های مختلف پارامترها را به طور مداوم، خودکار و سریع مطالعه کنیم. این به ما امکان می دهد تا در عرض چند روز، مطالعه ای را انجام دهیم که به طور معمول می تواند تا چند ماه طول بکشد.
   
تصویر: مؤلفه ابتدایی تراشه میکرو سیالی استخراج به ضلع 5 سانتی متر. سیال ها از میان نیم لوله در یک الگوی زیگزاگی جریان می یابند و عناصر شیمیایی از طریق غشایی که بین دو مؤلفه ی این چنینی ساندویچ شده است، عبور می کنند. لوله کشی ها، پمپ ها و ماژول های آنالیز، به عنوان مثال مادون قرمز، اضافه می شوند. A. El Mangaar, JCP Gabriel, CEA، توسط نویسنده ارائه شده است.
 
مزیت اضافی دستگاه میکروسیالی در مقایسه با دستگاه معمولی: ما پدیده های انتقال عناصر شیمیایی در رابط بین آب و روغن را بهتر درک می کنیم. در واقع، ما هم به لطف استفاده از غشاهای متخلخل، سطح تبادل بین آب و روغن را کنترل می کنیم، و هم زمان تماس بین دو فاز را، که در آن زمان با استفاده از پمپ های سرنگ کنترل شده کامپیوتری به داخل کانال های میکرو سیالی رانده می شوند. سپس جریان های ماده می توانند دقیقاً محاسبه شوند.
 

بازیافت عناصر خاکی نادر: موادی قیمتی و کمتر بازیافت شده

این رویکرد اخیراً به ما امکان مطالعه استخراج فلزات استراتژیک موجود در تلفن های همراه را داده است. این فلزات ، که وجود آنها در فن آوری های مدرن ضروری است، عمدتاً در چین تولید می شوند و در حال حاضر خیلی کم بازیافت می شوند - کمتر از پنج درصد. این امر از این لحاظ مایه تأسف بیشتر است که تولید مستقیم آنها بسیار گران است و می تواند مشکلات اجتماعی و زیست محیطی ایجاد کند.
 
نتایج ما نشان می دهد که ترکیبی از دو مولکول خاص استخراج کننده، این امر را امکان پذیر می سازد که عناصر نادر خاکی را با راندمانی تقریباً 100 برابر بیشتر از راندمان مربوط به استخراج با مولکول های جداگانه استخراج کنیم. از بین شصت عنصر شیمیایی موجود در زباله های الکترونیکی، فقط تعداد کمی در حدود ده تا بازیافت می شوند علاوه بر این، ما استخراج کارآمدی در غلظت های اسیدی 10 تا 100 برابر کمتر از موارد استفاده شده در صنعت را نشان داده ایم، که باعث ایجاد آلودگی کمتری می شود. ما همچنین ترکیب هایی از پارامترها را شناسایی کرده ایم که باعث می شود عناصر نادر خاکی بسیار کارآمدتر از یکدیگر جدا شوند در حالی که به طور متعارف دستیابی به آنها تنها در چند مرحله بسیار دشوار است. اکنون ما در حال مطالعه انتقال این نتایج، که در مقیاس های خیلی کوچک آزمایشگاهی به دست آمده، به مقیاس ابزار تولید صنعتی هستیم.
 
سرانجام این که رویکرد میکروسیالی ما مودولار است به این معنی که هر یک از ماژول ها می توانند در موارد دیگر مورد استفاده خود را پیدا کنند، به عنوان مثال، ماژول استخراج مایع - مایع می تواند برای مطالعه فرایندهای استخراج مولکول های آلی (روغن های اساسی) مفید باشد. یا ماژول طیف سنجی مادون قرمز برای نظارت آنلاین فرآیندهای زراعی یا دارویی می تواند مفید باشد. این امر این امکان را به شما می دهد تا مقدار آب غیر مقید را تعیین کنید - که آبی است که مولکول هایی که در آن حل می شوند را محاصره می کند اما با آنها ارتباط برقرار نمی کند، و این یک پارامتر کلیدی برای دنبال کردن در فرمولاسیون بسیاری از این صنایع است.
 
منبع: جین کریستوف پی گابریل - Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)