Nye teknologier til genanvendelse af elektronisk affald

Vores forbundne forbrugersamfund genererer en masse elektronisk affald, omkring 50 millioner tons om året på verdensplan. Det er endda i øjeblikket affaldet, der viser den stærkeste vækst fra det ene år til det andet. Værdien af ​​de råstoffer, der indgår i dette affald, er anslået til 50-60 milliarder euro, afhængig af materialepriser. Lovgivning og genbrugskanaler for dette affald er organiseret i mange lande, takket være udvidede producentansvarssystemer, men i øjeblikket bliver kun 20 % genanvendt i en certificeret proces . Ud over, af de tres kemiske grundstoffer, der findes i elektronisk affald, kun et mindretal bliver genbrugt, ti i antal_:guld, sølv, platin, kobolt, tin, kobber, jern, aluminium og bly). Alt andet ender _ i fint_ spildt på lossepladser.

Idealet, set ud fra den cirkulære økonomi, ville være på den ene side at forlænge så meget som muligt levetiden for disse elektroniske enheder, især ved at forlænge den første brug, og på den anden side at lette og favorisere genbrug eller reparation. Faktum er, at disse lossepladser repræsenterer ægte "byminer":potentielle aflejringer for dem, der ved, hvordan de skal udnyttes.

Hvordan håndterer vi elektronisk affald?

Genbrug af elektronisk affald betyder adskillelse af materialer, molekyler eller kemiske grundstoffer, så de kan sælges som råvarer til fremstilling af nye produkter. Først skal du afmontere enheder og komponenter, sortere dem, male dem, og til sidst adskille materialerne, oftest ved forbrænding og derefter ved opløsningsbaserede kemiske processer.

At få flere kemikalier fra byminen er lettere sagt end gjort. Elektronisk affald er meget forskelligartet og blandes ofte med andre typer affald. Sammensætningen af ​​det affald, der skal behandles, varierer derfor fra den ene skovl af affaldsforbrændingsanlæggets aske eller fra et parti affald til et andet. Dette står i kontrast til udnyttelsen af ​​en "traditionel" mine, hvor sammensætningen af ​​malmen er meget enklere og konstant, i hvert fald i sammenligning.

Kemikeren står over for et ekstremt komplekst separationsproblem. Dette forklarer til dels, hvorfor genbrugsindustrien i øjeblikket fokuserer på de mest koncentrerede eller økonomisk attraktive metaller at genvinde, derfor listen ovenfor.

Ny strategi:demonter, sortere, male, opløse

Sortering har til formål at minimere den kemiske kompleksitet af blandingen, der skal behandles, samt dens variation. Det kan gøres på alle skalaer:enhedens (type, generation), af dets moduler (trykte kredsløb, batterier, eksterne kuverter, rammer, etc.), af deres elementære elektroniske komponenter (kabler, modstande, kapaciteter, chips, nøgne brædder osv.), eller endda på niveau med pulveret, der stammer fra formaling, som kan udføres på alle de beskrevne skalaer.

Den fuldstændige adskillelse af enheder er teoretisk den mest effektive tilgang. Men, på grund af udstyrets mangfoldighed og kompleksitet, det er svært at automatisere dette trin:demontering udføres stadig hovedsageligt manuelt, hvilket betyder, at dens omkostninger ofte er for høje til at tillade sortering ned til niveauet af de elementære komponenter.

Følgelig, den mest almindelige tilgang blandt genbrugere (MTB, Paprec, Véolia), før enhver kemisk behandling, er slibningen på skalaen af ​​enheden eller dens moduler, efterfulgt af trin med adskillelse af partiklerne ved fysiske metoder, der anvender forskellene i densiteter eller magnetiske egenskaber. Afhængig af renheden af ​​de opnåede pulvere, termiske eller kemiske behandlinger bruges derefter til at forfine sammensætningen af ​​slutprodukterne.

I sidstnævnte tilfælde, den mest anvendte proces til adskillelse i opløsning af kemiske grundstoffer er den såkaldte væske-væske-ekstraktion. Det består normalt først i at opløse metallerne eller deres oxider i en syre (f.eks. salpetersyre), lav derefter en emulsion, det vil sige hvad der svarer til en fransk vinaigrette. Syreopløsningen ("eddike") blandes kraftigt med et organisk opløsningsmiddel (såsom petroleum, "olie") i en ekstraktionssøjle og et eller flere molekyler ("sennep") med egenskaben til at fremme overførslen af ​​visse metaller ("smagsstoffer") fra syre til opløsningsmiddel. Da dette adskillelsestrin sjældent er perfekt, det gentages i serier for at nå de ønskede renhedsniveauer. Flere dusin, endda flere hundrede, successive ekstraktioner er nogle gange nødvendige for at opnå den ønskede renhed.

Optimering af omkostningerne og effektiviteten af ​​sådanne processer kræver undersøgelse af indflydelsen af ​​et meget stort antal parametre (f.eks. koncentrationen af ​​kemiske arter, surhedsgrad, temperatur, osv.) for at definere den kombination, der repræsenterer det bedste kompromis.

Nye processer for at øge genanvendelsesprocenten

I laboratoriet SCARCE, vi arbejder på nye processer, som i sidste ende vil tillade "øge antallet af genbrugte kemiske elementer og øge deres genanvendelsesprocenter:på den ene side med mekaniske processer (automatisering af demontering og sortering), på den anden side med kemiske ekstraktionsprocesser i opløsning.

For eksempel, som vi har set, den kemiske sammensætning af elektronisk affald er meget varierende. Udvikling af en udvindingsproces, for en bestemt kemisk sammensætning, kan nemt tage fem til ti års forskning og optimering, og tilpasningen af ​​en eksisterende proces til en ny sammensætning (for eksempel et nyt metal) kræver flere måneder til flere år. Dette er næppe foreneligt med mængden af ​​affald, de ressourcer og den tid, der er til rådighed for genanvendelse af affald.

Mikroskopisk rørføring for at optimere udvindingen af ​​elementer

For at reducere tiden og omkostningerne ved at udvikle nye udvindingsprocesser, vi har miniaturiseret og integreret i en enkelt enhed microfluidics automatiseret alt udstyr, der er nødvendigt for en procesundersøgelse. I en mikrofluidisk enhed, rørene er mindre end en millimeter (i vores tilfælde 100 µm tykke, tykkelsen af ​​to hår eller mindre). Dette gør det muligt at bruge meget små mængder materiale:nogle få mikroliter opløsningsmidler og syrer i stedet for milliliter, og et par milligram kemiske forbindelser i stedet for gram. Med integration af analysemetoder (røntgenstråler, infrarød og sensorer), vi kan studere de forskellige kombinationer af parametre kontinuerligt, automatisk og hurtigt. Dette giver os mulighed for at lave en undersøgelse på få dage, som normalt kan tage op til flere måneder.

Yderligere fordele ved mikrofluidik sammenlignet med en konventionel enhed:vi forstår bedre fænomenerne med overførsler af kemiske elementer ved grænsefladen mellem vand og olie. Ja, vi kontrollerer både udvekslingsoverfladen mellem vand og olie takket være brugen af ​​en porøs membran, samt kontakttiden mellem de to faser, som skubbes ind i mikrofluidkanalerne ved hjælp af computerstyrede sprøjtepumper. Materialestrømme kan så beregnes præcist.

Genvinding af sjældne jordarter:ædle og lidt genbrugsmaterialer

Denne tilgang tillod os for nylig at studere udvindingen af ​​strategiske metaller fundet i mobiltelefoner. Disse metaller, afgørende i moderne teknologier, produceres hovedsageligt i Kina og genanvendes i ringe grad i øjeblikket – under 5 %. Dette er så meget desto mere uheldigt, da deres produktion er meget dyr og kan give samfunds- og miljøproblemer.

Vores resultater viser, at kombinationen af ​​to specifikke ekstraktionsmolekyler gør det muligt at udvinde sjældne jordarter med en effektivitet næsten 100 gange større end effektiviteten af ​​ekstraktioner med de molekyler, der anvendes separat. Ud over, vi har demonstreret effektiv ekstraktion ved syrekoncentrationer 10 til 100 gange lavere end dem, der anvendes i industrien, som genererer mindre forurening. Vi har også identificeret kombinationer af parametre, der gør det muligt at adskille de sjældne jordarter meget mere effektivt fra hinanden, hvilket konventionelt er meget vanskeligt at opnå på få trin. Vi studerer nu transponeringen af ​​disse resultater, opnået i meget lille skala, til det industrielle produktionsværktøj.

Endelig, vores mikrofluidiske tilgang er modulopbygget, hvilket betyder, at hvert af modulerne kan finde deres anvendelighed i andre tilfælde, for eksempel, væske-væske ekstraktionsmodulet kan være nyttigt til undersøgelse af processer til ekstraktion af organiske molekyler (æteriske olier); eller det infrarøde spektroskopi modul til online overvågning af agrifood eller farmaceutiske processer. Det giver dig mulighed for at bestemme mængden af ​​ubundet vand - det er vandet, der omgiver molekylerne, der er opløst i det, men som ikke interagerer med dem, en nøgleparameter at følge i mange formuleringer af disse industrier.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.