По мере роста спроса на высокотехнологичные устройства растет и интерес к переработке эзотерических металлов, из которых они работают. Но проблем предостаточно.
Наушники, сенсорные экраны, компактные люминесцентные лампы с теплым свечением, перезаряжаемые батареи и электрические стеклоподъемники: большинство из нас воспринимает эти вещи как должное. Когда мы это делаем, мы также принимаем как должное группу элементов, называемых редкоземельными металлами, чьи особые электронные и магнитные свойства делают их ключевым компонентом многих технологий 21-го века. Этих 17 элементов на самом деле достаточно много - возможно, они есть у вас на заднем дворе, - но, за исключением нескольких месторождений руды, они встречаются в природе в низких концентрациях, что затрудняет их сбор. Поскольку редкоземельные металлы являются неотъемлемой частью сотовых телефонов, жестких дисков, гибридных автомобилей, ветряных турбин и других продуктов, спрос на которые стремительно растет, спрос на редкоземельные металлы также постоянно растет.
Еще в 2010 году Китай произвел около 97 процентов мировых запасов редкоземельных элементов. В том же году страна решила ограничить экспорт, из-за чего цены взлетели до небес.
«Цены на некоторые редкоземельные элементы выросли на 2 000 процентов и более», - сказал Джим Симс из компании по добыче редкоземельных элементов Molycorp, которая недавно вновь открыла закрытую шахту по добыче редкоземельных элементов в Калифорнии. С тех пор цены на редкоземельные элементы упали и теперь гораздо менее волатильны - отчасти благодаря открытию или возобновлению работы шахт Molycorp и других по всему миру. Тем не менее, обожженные этим опытом, корпорации и страны работают над тем, чтобы обеспечить себя достаточным потоком редкоземельных элементов, как могут.
Одним из рассматриваемых вариантов является переработка редкоземельных металлов из бывших в употреблении продуктов. Вы можете подумать, что извлекать редкоземельные элементы из продуктов проще, чем извлекать их из земли, но это не так просто, как кажется. Учитывая важность этих продуктов для современной жизни, правительства всего мира финансируют исследования, чтобы сделать переработку более реальным вариантом. Некоторые компании уже считают это полезным.
Не на обочине
Перерабатывать редкоземельные элементы не так просто, как перерабатывать стекло или пластик - проблемы есть почти на всех уровнях.
Во-первых, элементы присутствуют в небольших количествах в таких вещах, как мобильные телефоны. По мере того, как детали становятся меньше, уменьшается и количество используемого материала. Например, в сенсорном экране элементы распределены по материалу на молекулярном уровне.
«На самом деле перерабатывать электронику становится все труднее», - сказал Алекс Кинг из лаборатории Эймса в Эймсе, штат Айова, директор Института критических материалов - финансируемого Министерством энергетики США «Инновационного центра», занимающегося стратегиями обеспечение поставок пяти редкоземельных металлов, определенных правительством как критически важные.«Раньше у нас были сотовые телефоны, из которых можно было вынуть батарею, что, вероятно, является самой большой целью для утилизации. В смартфонах эти вещи сконструированы таким образом, что вы не можете извлечь батарею, по крайней мере, нелегко».
Мобильные телефоны обычно перерабатываются путем разбивания, измельчения и измельчения в порошок. Затем порошок можно разделить на составные материалы для утилизации или переработки. Но новые сотовые телефоны включают в себя больше элементов, чем когда-либо - всего около 65. (Для сравнения, вся промышленность использует только около 85 элементов.) Это делает порошок более сложной смесью для разделения, чем это было в старых телефонах. «Легче выделить редкоземельные элементы из горных пород, чем из мобильных телефонов», - сказал Кинг.
Разделение этих материалов часто означает «очень агрессивные растворители или очень высокотемпературную обработку расплавленного металла. Это не просто», - сказал промышленный эколог Йельского университета Томас Гредель.
Из-за неприятных материалов или необходимости большого количества энергии переработка в некоторых случаях может нанести больше вреда окружающей среде, чем добыча металлов. «Необходим индивидуальный анализ, чтобы решить, является ли данный продукт хорошим кандидатом на переработку», - сказал Гредель.
В одном из недавних исследований было рассчитано полное энергетическое и экологическое воздействие производства килограмма редкоземельного металла неодима для магнитов путем переработки компьютерных жестких дисков по сравнению с добычей того же количества первичного материала. В рассматриваемом случае переработка имела показатель токсичности для человека более чем на 80 процентов ниже, чем добыча полезных ископаемых, и потребляла почти на 60 процентов меньше энергии. Однако, как отметил Гредель, «в этом примере восстанавливается неодим в виде сплава, используемого в магнитах.«Применения, такие как использование в качестве красителя для стекла, потребуют его восстановления до элементарной формы, что потребует больше ресурсов.
Исследователи под руководством Бенджамина Спречера из Института инноваций материалов в Делфте, Нидерланды, также обнаружили, что измельчение жестких дисков для переработки приводит к потере 90% неодима. «Большие потери материала, возникающие при измельчении материала, вызывают серьезные сомнения в полезности этого типа переработки в качестве решения проблемы дефицита», - пишут исследователи. Они предлагают метод, при котором жесткие диски разбираются вручную, как способ решения этой проблемы.
Когда небольшое количество редкоземельных элементов входит в состав сложных смесей, разделение может быть слишком дорогим, чтобы оправдать только эти элементы, что заставляет некоторых предположить, что даже более ценные элементы в электронике, такие как золото, палладий и иридий, может сделать переработку экономически выгодной.«Может случиться так, что редкоземельные элементы будут платить за обработку, а золото, платина и палладий будут денежным потоком», - сказал Эрик Петерсон из Национальной лаборатории Айдахо, который возглавляет исследовательскую программу по повторному использованию и переработке редкоземельных металлов в США. Институт критических материалов.
Для решения как экологических, так и экономических проблем, связанных с переработкой, Институт критических материалов и другие исследовательские группы, включая европейский консорциум, тестируют сверхкритическую двуокись углерода, ионные жидкости, электрохимические методы и многое другое в качестве стратегий улучшения перспектив редких переработка земли.
Получение товара
Хотя технические проблемы переработки редкоземельных элементов являются существенными, по словам Гределя, они не являются главной проблемой. «Я думаю, будет справедливо сказать, что самая большая проблема, с которой мы сталкиваемся при переработке редкоземельных элементов и многих других вещей, - это проблема сбора», - сказал он. «Это скорее социальная и, возможно, нормативная проблема, чем технологическая."
В условиях отсутствия ценового давления, по крайней мере, на данный момент, и небольшого числа законов, требующих переработки, мало стимулов пытаться вернуть материалы. По состоянию на 2011 год было переработано менее 1 процента редкоземельных элементов. Люди склонны копить или выбрасывать свои старые телефоны. Автомобили, в которых может быть более двух десятков редкоземельных двигателей, приводящих в движение все, от дворников до регулировки зеркал заднего вида, формально не восстанавливаются. Многие электронные устройства попадают в развивающиеся страны, где они в конечном итоге могут быть разобраны небезопасным или неэффективным способом. Даже люминесцентные лампы, которые по закону должны быть переработаны из-за ртути в трубках, перерабатываются лишь на 30-35 процентов.
Существующая инфраструктура переработки люминесцентных ламп делает их хорошими кандидатами на переработку редкоземельных элементов, считают многие эксперты. Люминесцентные лампы используют редкоземельные элементы для заполнения цветового спектра: красный и зеленый люминофоры в порошке, который покрывает внутреннюю часть ламп, представляют собой редкоземельные элементы европий и тербий. Переработчики собирают ртуть, стекло и металлические части ламп, но они традиционно выбрасывают белый порошок, содержащий редкоземельные элементы, который выстилает трубки. Некоторые компании сейчас восстанавливают их.
В то время как популярность светодиодных ламп, возможно, набирает обороты, в ближайшие десятилетия будет использоваться множество люминесцентных и компактных люминесцентных ламп, поэтому они остаются хорошей мишенью для переработки. В светодиодах тоже используются редкоземельные элементы, но в гораздо меньших количествах, чем в люминесцентных лампах, и способами, которые затрудняют их переработку. «Я не уверен, что можно будет извлекать редкоземельные элементы из светодиодов экономичным способом», - отметил Кинг.
Еще одна многообещающая область для ускорения переработки редкоземельных элементов - это продукты, которые остаются сконцентрированными в промышленности, а не разбрасываются по рукам потребителей. В двигателях современных ветряных турбин используются редкоземельные магниты; из неодима и диспрозия получаются сверхмощные магниты, которые обеспечивают более мощные двигатели и более простую механическую конструкцию. Для морских ветряных электростанций техническое обслуживание - непростая задача, поэтому компании стремятся установить наиболее надежный вариант, содержащий сотни килограммов редкоземельных элементов. Поскольку они содержат такие большие количества - и поскольку они сосредоточены в стационарных ветряных электростанциях - утилизация редкоземельных элементов из ветряных турбин гораздо более осуществима, чем их переработка из продуктов, разбросанных повсюду. «У них гораздо больше шансов на счастливую вторую жизнь», - сказал Гредель.
Несмотря на проблемы, некоторые компании пытаются наладить переработку редкоземельных элементов. Французская химическая компания Rhodia объявила о нескольких проектах по переработке редкоземельных элементов. В 2012 году Mitsubishi Electric сообщила, что извлекает и перерабатывает редкоземельные магниты из своих кондиционеров, а Hitachi объявила о разработке машины для восстановления магнитов для жестких дисков и кондиционеров с намерением ввести эту технологию в коммерческую эксплуатацию. В прошлом году Honda объявила, что начинает извлекать редкоземельные элементы из аккумуляторов гибридных автомобилей.
Дизайн для вторичной переработки
Предусмотрительность конструкции и лучшее планирование перед выпуском продуктов, содержащих редкоземельные элементы, могут помочь повысить эффективность переработки, отмечают некоторые эксперты.
Одним из подходов является раннее разделение, сказал Петерсон. «Если у вас есть маленькие редкоземельные магниты, как только вы их разобьете, весь магнитный материал, порошок, прилипнет ко всему, что [железосодержащее], и вы их потеряете», - сказал он. «Мы не знаем, как производить вещи, пригодные для вторичной переработки, особенно в этой стране. Мы должны научиться это делать».
Продукты могут быть спроектированы таким образом, чтобы их было легче демонтировать. Например, по словам Кинга, его команда пытается отделить люминофоры от стекла дисплея телефона. «Вы можете попросить производителей придумать способ снять стекло дисплея в конце срока службы», - сказал он, прежде чем телефон раздавится.
Еще одна возможность состоит в том, чтобы изолировать редкоземельные элементы внутри устройства. «Мы работаем с несколькими производителями электроники, чтобы понять, как можно изготовить плату, чтобы можно было снять с платы определенные компоненты, прежде чем брать другие», - сказал Петерсон. Одним из примеров может быть построение печатной платы слоями с разными материалами на разной высоте, чтобы их можно было последовательно соскрести. Или модульные компоненты, содержащие редкоземельные металлы, могут быть спроектированы так, чтобы их можно было повторно использовать как есть, сказал Петерсон.
Спрос и предложение
Конечно, все это предполагает достаточно большой запас электроники, готовой к переработке, что сейчас может быть небезопасным предположением. Ветряные турбины, например, имеют срок службы от 20 до 30 лет, а это означает, что почти ни одна из них еще не готова к переработке.
В одном недавнем исследовании Йелле Радемейкер из Зеленой академии (Голландия) в Нидерландах и его коллеги рассчитали потенциал переработки редкоземельных элементов из магнитов в жестких дисках компьютеров, гибридных автомобилях и ветряных турбинах, предполагая 100-процентное восстановление в каждом из них. случай. Они обнаружили, что количество, доступное для переработки, может составлять не более 10-15 процентов от спроса в период с настоящего момента до 2015 года. Процент падает еще больше к 2020 году, поскольку спрос растет, но для переработки доступны только компьютерные жесткие диски..
Тем не менее, поскольку срок службы автомобилей и ветряных турбин подходит к концу, переработка к 2030 году теоретически может удовлетворить более 20 процентов спроса. «В долгосрочной перспективе это может оказать существенное влияние», - отметил Радемейкер.
Пока экономика, законодательство или спрос не наверстают упущенное, одна идея состоит в том, чтобы сохранить металлы, застрявшие в их устройствах, для будущего.
«Некоторые люди говорят, что мы должны выбросить все это на свалку и дождаться лучшей технологии», - сказал Радемейкер.«Это идея городской добычи. Если у вас есть для этого место, и если это не опасно, и вы можете безопасно захоронить его на свалке, оставьте металлы на тот момент, когда мы будем знать, что с ними делать».
С учетом того, что разрабатываются новые стратегии переработки, а спрос на редкоземельные элементы растет с каждым днем, возможно, этот момент уже не за горами.