Редките метали са критични компоненти на съвременните електронни устройства
(снимка: CC0 Public Domain)
Редкоземните метали са съществен компонент на мобилните телефони, компютрите и много други дигитални устройства. Нарастващото им търсене и ограниченото глобално предлагане налагат спешно намиране на нови начини за ефективно възстановяване на тези метали от изхвърлените продукти.
Понастоящем редкоземните метали се добиват в мини в определени точки на света или се извличат чрез традиционно рециклиране на електронни отпадъци. И двата начина имат редица недостатъчни, отбелязва GreenTech.bg. Затова сега един научен екип от Института за гранични материали, в сътрудничество с изследователския център Tecnalia в Испания, е разработил начин за използване на екологично чисти химикали за извличане на редкоземни метали от стара електроника.
При новия процес, наречен „електродепозиране”, слаб електрически ток кара металите да се отлагат върху желаната повърхност. Ако процесът се разгърне в мащаб, това можем да смекчи натиска върху глобалните доставки и да намали зависимостта на световната електроника от добива на редкоземни елементи.
Нарастващо търсене
Редкоземни метали – това е колективно наименование на група от 17 елемента: 15 от „поредицата лантаниди” в периодичната таблица, както и елементите скандий и итрий. Тези елементи имат уникални каталитични, металургични, ядрени, електрически, магнитни и луминесцентни свойства. Терминът „рядък” се отнася до тяхното равномерно, но оскъдно разпространение по целия свят, след като биват открити в края на 18 век.
Въпросните минерали са критични компоненти на електронните устройства и са жизненоважни за много „зелени” технологии; те са в сърцевината на магнитите за вятърни турбини и в батериите за хибридни електрически превозни средства. Всъщност, за да работи една вятърна турбина, са необходими до 600 килограма редкоземни метали.
Годишното търсене на редкоземни метали се е удвоило до 125 000 тона за 15 години, а прогнозите са, че търсенето ще достигне 315 000 тона през 2030 г. Това ще е обусловено от нарастващото навлизане на зелените технологии и напредъка на електрониката. Тенденцията създава огромен натиск върху глобалното производство.
Не можем ли просто да ги добиваме?
Понастоящем редкоземните метали се добиват чрез минно дело, което – както знаем – е съпроводено от редица проблеми. Скъпо и слабо ефективно е. Извличането на дори много малко количество редки земни метали изисква големи площи. Процесът има огромно въздействие върху околната среда – добивът на редкоземни минерали генерира големи количества токсичен и радиоактивен материал, поради съвместната екстракция на торий и уран – радиоактивни метали, които могат да създадат проблеми за околната среда и човешкото здраве.
Освен това голямата част от добива е съсредоточена в малък брой локации по света. В Китай се произвежда над 70% от глобалното предлагане на редкоземни метали. Това поражда загриженост относно дългосрочната наличност, както и тревоги заради възникването на зависимост – нещо, което става особено видно по време на търговска война между различни държави, на каквато сме свидетели и днес (между Китай и САЩ).
Ами рециклирането?
Да, чрез рециклиране на електронни отпадъци някои редки метали могат да бъдат възстановени от електрониката – като например от мобилни телефони, лаптопи и батерии за електрически превозни средства, след като достигнат края на живота си. Например, възстановяването на редките метали от акумулатори на електрически превозни средства включва традиционни хидрометалургични (обработка с корозивни среди) и пирометалургични (термична обработка) процеси.
Но тези процеси имат няколко недостатъка. Пирометалургията е енергоемка. Включва множество етапи, които изискват високи работни температури, около 1000℃. В процеса на обработка в атмосферата се отделят замърсители като въглероден диоксид, диоксини и фурани. Същевременно хидрометалургията генерира големи количества корозивни отпадъци, като силно алкални или киселинни вещества – например натриев хидроксид или сярна киселина.
Подобни процеси на възстановяване се прилагат и за други технологии за съхранение на енергия, като например литиево-йонни батерии. С две думи, рециклирането в сегашния му вид не е достатъчно добро решение.
Какво тогава?
Предвид всички предизвикателства, екипът на Института за гранични материали се е заел да намери устойчив метод за възстановяване на редкоземни метали, използвайки електродепозиране. Този процес вече се използва за възстановяване на други метали. В конкретния случай екипът е проектирал екологично чист състав, базиран на йонно-течни системи.
Методът е съсредоточен върху възстановяването на неодим – важен редкоземен метал поради изключителните му магнитни свойства, обект на изключително голямо търсене в сравнение с други редки земни метали. Използва се в електрически двигатели в автомобили, мобилни телефони, вятърни турбини, твърди дискове и аудио устройства.
Йонно-течните системи са много стабилни, което означава, че е възможно да се рециклира въпросният неодим, без да се генерират странични продукти, които могат да повлияят на чистотата на материала. Новост в изследването на ИГМ е използването на йонно-течни системи за електродепозиране с наличието на вода в сместа, което подобрява количеството на окончателно възстановения неодимов метал.
За разлика от проектираните по-рано методи, този похват позволява да се възстанови неодимов метал, без да се използва контролирана атмосфера и при работна температура, по-ниска от 100℃. Това са ключови съображения за индустриализиране на технологията.
Перспектива
С времето методът би могъл да избегне необходимостта от добив на редкоземни метали и да сведе до минимум генерирането на токсични и вредни отпадъци. Освен това обещава да помогне за увеличаване на икономическата възвръщаемост от електронните отпадъци.
Не по-малко важно е, че този метод може да бъде адаптиран за оползотворяване на метали в други приложения, като например литиево-йонни батерии.
Този метод съществува от стотици години. Смешници