Превращая мусор в сокровище: как микроволновые печи меняют подход к переработке электронных отходов

Возможно, вы не слышали о тантале, но, скорее всего, вы держите его в руках прямо сейчас. Это важный компонент наших мобильных телефонов и ноутбуков, и в настоящее время ему нет эффективной замены. Даже если вы планируете утилизировать свои устройства после того, как они выйдут из строя, тантал внутри них скорее всего, окажется на свалке или будет отправлен за границу и будет потерян навсегда.

Как исследователь, специализирующийся на извлечении критически важных материалов, я годами копался в электронных отходах, рассматривая их не как мусор, а как городскую шахту, наполненную ценными материалами, такими как тантал.

Почему важен тантал

Тантал — это редкий, термостойкий металл, необходимый для производства электронных конденсаторов. Эти конденсаторы представляют собой крошечные устройства, которые эффективно накапливают и высвобождают энергию практически в каждом электронном устройстве, которым вы пользуетесь. Примерно 24% всего тантала, производимого в мире, идёт на производство конденсаторов, которые используются в высокоточных устройствах, таких как смартфоны, ноутбуки, медицинские приборы и даже аэрокосмическая электроника, где 80% танталовых конденсаторов производятся в форм-факторе для поверхностного монтажа. Без тантала многие из наших важнейших технологий просто не работали бы так эффективно.

Тем не менее, этот незаменимый металл стоит довольно дорого. В 2024 году килограмм тантала стоил 170 долларов США, что намного дороже, чем распространённые металлы, такие как медь, которая стоит около 9,50 долларов США за килограмм. Несмотря на такую высокую стоимость, переработка тантала остаётся поразительно неэффективной. Традиционные методы переработки обычно не учитывают танталовые конденсаторы, поскольку извлечение небольших количеств тантала является энергозатратным, дорогостоящим и опасным для окружающей среды.

Скрытые издержки игнорирования электронных отходов

Реальность, связанная с электронными отходами, вызывает беспокойство. Только в 2022 году в мире было произведено более 62 миллионов метрических тонн выброшенной электроники. Большая часть этих электронных отходов либо выбрасывается на свалки, либо отправляется за границу, где небезопасные методы переработки, такие как сжигание печатных плат или химическая очистка металлов, представляют риск для здоровья и окружающей среды.

Поскольку такие критически важные материалы, как тантал, считаются «высокорисковыми» из-за их дефицита и геополитических ограничений, пренебрежение их восстановлением усугубляет как экономические, так и стратегические уязвимые места. США в значительной степени зависят от импорта тантала из таких стран, как Китай, и перебои в поставках могут существенно повлиять на различные отрасли, от бытовой электроники до оборонных технологий.

Новый подход к переработке отходов с использованием микроволн

В Университете Западной Вирджинии на факультете машиностроения, материаловедения и аэрокосмической инженерии мы с моей командой решили ответить на простой вопрос: можем ли мы разработать более чистый, безопасный и экономичный способ переработки тантала из отработанных конденсаторов?

Решением проблемы оказались микроволны. Эти микроволны похожи на те, что используются на вашей кухне, но они более мощные и точно контролируемые. Вот как работает наш процесс.

Сначала мы измельчаем использованные танталовые конденсаторы и смешиваем полученный порошок с материалом на основе углерода. Углерод, в отличие от воды, быстро поглощает микроволны, что позволяет нам фокусировать интенсивный целенаправленный нагрев непосредственно на частицах тантала. Когда микроволны выборочно нагревают углерод, они запускают реакцию, называемую «карботермальное восстановление».

Этот процесс превращает соединения тантала в чистый карбид тантала — легко восстанавливаемую форму с поразительно высоким уровнем чистоты, превышающим 97%, как мы продемонстрировали в нашем недавнем исследовании, опубликованном в Scientific Reports.

Использование микроволн исключает агрессивную химическую обработку и значительно сокращает потребление энергии по сравнению с традиционными методами. Кроме того, это значительно сокращает количество вредных побочных продуктов.

От успеха лаборатории до влияния на отрасль

Хотя первоначальные испытания подтвердили эффективность нашего подхода, следующим важным шагом является масштабирование этого метода за пределами лаборатории. В настоящее время мы работаем над пилотными проектами с использованием более крупных партий электронных отходов, таких как печатные платы смартфонов и серверное оборудование из центров обработки данных, чтобы проверить масштабируемость технологии.

Наше первоначальное финансирование поступило от программы DARPA «Переработка в местах утилизации» (RPOD), что отражает стратегическую важность, которую американские военные придают внутренней переработке критически важных материалов. Поскольку национальная безопасность тесно связана с технологической и ресурсной независимостью, эффективная переработка тантала может иметь решающее значение не только в экономическом, но и в стратегическом плане.

Устойчивое будущее: экономические и экологические преимущества

Итак, как же сделать повсеместную переработку тантала и других критически важных металлов реальностью? Значительная часть ответа кроется в экономике. Когда предприятия по переработке понимают, что они могут выгодно извлекать металлы стоимостью сотни долларов за килограмм с помощью доступных и экологичных технологий, стимулы становятся непреодолимыми.

Источник: Tech Xplore

Автор: Теренс Мушо, доктор философии, доцент кафедры машиностроения, материаловедения и аэрокосмической инженерии в Университете Западной Вирджинии