Onze verbonden consumptiemaatschappij genereert veel elektronisch afval, ongeveer 50 miljoen ton per jaar wereldwijd. Het is op dit moment zelfs het afval dat van jaar tot jaar de sterkste groei laat zien. De waarde van de in dit afval verwerkte grondstoffen wordt geschat op 50-60 miljard euro, afhankelijk van materiaalprijzen. Wetgeving en recyclingkanalen voor dit afval zijn in veel landen georganiseerd, dankzij systemen voor uitgebreide producentenverantwoordelijkheid, maar momenteel wordt slechts 20% gerecycled in een gecertificeerd proces. In aanvulling, van de zestig chemische elementen die aanwezig zijn in elektronisch afval, slechts een minderheid wordt gerecycled, tien in getal_:goud, zilver, platina, kobalt, blik, koper, ijzer, aluminium en lood). Al het andere belandt _ in fijne verspilling op stortplaatsen.

Het ideale, vanuit het oogpunt van de circulaire economie, enerzijds zou zijn om de levensduur van deze elektronische apparaten zo lang mogelijk te verlengen, in het bijzonder door het eerste gebruik te verlengen, en anderzijds om hergebruik of reparatie te vergemakkelijken en te bevorderen. Het feit blijft dat deze stortplaatsen echte "stedelijke mijnen" vertegenwoordigen:potentiële afzettingen voor degenen die weten hoe ze ze moeten exploiteren.

Hoe gaan we om met elektronisch afval?

Elektronisch afval recyclen betekent het scheiden van materialen, moleculen of chemische elementen, zodat ze kunnen worden verkocht als grondstof voor de vervaardiging van nieuwe producten. Eerst moet je de apparaten en componenten demonteren, sorteer ze, maal ze, en tenslotte de materialen scheiden, meestal door verbranding en vervolgens door op oplossing gebaseerde chemische processen.

Meer chemicaliën uit de stadsmijn halen is makkelijker gezegd dan gedaan. Elektronisch afval is zeer divers van aard en wordt vaak vermengd met andere soorten afval. De samenstelling van het te verwerken afval verschilt dus per schep AVI-as of per partij afval. Dit in tegenstelling tot de exploitatie van een "traditionele" mijn waar de samenstelling van het erts veel eenvoudiger en constanter is, althans in vergelijking.

De chemicus wordt geconfronteerd met een uiterst complex scheidingsprobleem. Dit verklaart gedeeltelijk waarom de recyclingindustrie zich momenteel richt op de meest geconcentreerde of economisch aantrekkelijke metalen om terug te winnen, vandaar de lijst hierboven.

Nieuwe strategie:ontmantelen, soort, malen, oplossen

Het sorteren heeft tot doel de chemische complexiteit van het te behandelen mengsel te minimaliseren, evenals de variabiliteit ervan. Het kan op alle schalen:die van het apparaat (type, generatie), van zijn modules (printplaten, batterijen, externe enveloppen, lijsten, enzovoort.), van hun elementaire elektronische componenten (kabels, weerstanden, capaciteiten, chips, kale planken enz.), of zelfs op het niveau van het poeder dat ontstaat door het malen, die op alle beschreven schalen kan worden uitgevoerd.

De volledige demontage van apparaten is theoretisch de meest effectieve aanpak. Maar, vanwege de veelheid en complexiteit van apparatuur, het is moeilijk om deze stap te automatiseren:demontage gebeurt nog steeds voornamelijk handmatig, wat betekent dat de kostprijs ervan vaak te hoog is om te sorteren tot op het niveau van de elementaire componenten.

Bijgevolg, de meest voorkomende aanpak onder recyclers (MTB, pap, Veolia), vóór elke chemische behandeling, is het slijpen op de schaal van het apparaat of zijn modules, gevolgd door stappen van scheiding van de deeltjes door fysische methodes die de verschillen in dichtheden of magnetische eigenschappen gebruiken. Afhankelijk van de zuiverheid van de verkregen poeders, thermische of chemische behandelingen worden vervolgens gebruikt om de samenstelling van de eindproducten te verfijnen.

In het laatste geval, het meest gebruikte scheidingsproces in oplossing van chemische elementen is de zogenaamde vloeistof-vloeistofextractie. Het bestaat meestal eerst uit het oplossen van de metalen of hun oxiden in een zuur (bijvoorbeeld salpeterzuur), dan een emulsie maken, dat wil zeggen het equivalent van een Franse vinaigrette. De zure oplossing ("azijn") wordt krachtig gemengd met een organisch oplosmiddel (zoals kerosine, "olie") in een extractiekolom en een of meer moleculen ("mosterd") die de eigenschap hebben de overdracht van bepaalde metalen ("smaken") van zuur naar oplosmiddel te bevorderen. Aangezien deze scheidingsstap zelden perfect is, het wordt in serie herhaald om de gewenste zuiverheidsniveaus te bereiken. Enkele dozijnen, zelfs enkele honderden, opeenvolgende extracties zijn soms nodig om de gewenste zuiverheid te bereiken.

Het optimaliseren van de kosten en efficiëntie van dergelijke processen vereist de studie van de invloed van een zeer groot aantal parameters (bijvoorbeeld de concentraties van chemische soorten, zuurgraad, temperatuur, enz.) om de combinatie te definiëren die het beste compromis vertegenwoordigt.

Nieuwe processen om het recyclingpercentage te verhogen

In het laboratorium SCARCE, we werken aan nieuwe processen die uiteindelijk zullen toelaten " het aantal gerecycleerde chemische elementen te verhogen en hun recyclagepercentages te verhogen:enerzijds met mechanische processen (automatisering van demontage en sortering), anderzijds met chemische extractieprocessen in oplossing.

Bijvoorbeeld, zoals we gezien hebben, de chemische samenstelling van elektronisch afval is zeer variabel. De ontwikkeling van een extractieproces, voor een specifieke chemische samenstelling, kan gemakkelijk vijf tot tien jaar onderzoek en optimalisatie vergen en de aanpassing van een bestaand proces aan een nieuwe samenstelling (bijvoorbeeld een nieuw metaal) vergt enkele maanden tot meerdere jaren. Dit is nauwelijks verenigbaar met de hoeveelheden afval, de middelen en de beschikbare tijd voor het recyclen van afval.

Microscopische leidingen om de extractie van elementen te optimaliseren

Om de tijd en kosten van het ontwikkelen van nieuwe extractieprocessen te verminderen, we hebben microfluïdica geminiaturiseerd en geïntegreerd in een enkel apparaat en alle apparatuur die nodig is voor een processtudie geautomatiseerd. In een microfluïdisch apparaat, de leidingen zijn kleiner dan een millimeter (in ons geval 100 µm dik, de dikte van twee haren of minder). Hierdoor kunnen zeer kleine hoeveelheden materiaal worden gebruikt:enkele microliters oplosmiddelen en zuren in plaats van milliliter, en een paar milligram chemische verbindingen in plaats van grammen. Met de integratie van analysemethoden (röntgenstralen, infrarood en sensoren), we kunnen de verschillende combinaties van parameters continu bestuderen, automatisch en snel. Dit stelt ons in staat om een ​​onderzoek in een paar dagen te doen, wat normaal gesproken tot enkele maanden kan duren.

Bijkomend voordeel van microfluïdica in vergelijking met een conventioneel apparaat:we begrijpen de verschijnselen van overdracht van chemische elementen op het grensvlak tussen water en olie beter. Inderdaad, we controleren zowel het uitwisselingsoppervlak tussen water en olie dankzij het gebruik van poreuze membranen, evenals de contacttijd tussen de twee fasen, die in de microfluïdische kanalen worden geduwd met behulp van computergestuurde spuitpompen. Materiaalstromen kunnen dan nauwkeurig worden berekend.

Herwinning van zeldzame aardmetalen:kostbare en weinig gerecyclede materialen

Dankzij deze benadering hebben we onlangs de winning van strategische metalen in mobiele telefoons kunnen bestuderen. Deze metalen, essentieel in moderne technologieën, worden voornamelijk in China geproduceerd en worden momenteel weinig gerecycled - minder dan 5%. Dit is des te ongelukkiger omdat hun productie erg duur is en maatschappelijke en milieuproblemen kan veroorzaken.

Onze resultaten laten zien dat de combinatie van twee specifieke extractiemoleculen het mogelijk maakt om zeldzame aardmetalen te extraheren met een efficiëntie die bijna 100 keer groter is dan de efficiëntie van extracties met de moleculen afzonderlijk. In aanvulling, we hebben een efficiënte extractie aangetoond bij zuurconcentraties die 10 tot 100 keer lager zijn dan die in de industrie, wat minder vervuiling oplevert. We hebben ook combinaties van parameters geïdentificeerd die het mogelijk maken om de zeldzame aarden veel efficiënter van elkaar te scheiden, wat gewoonlijk zeer moeilijk te bereiken is in een paar stappen. We bestuderen nu de omzetting van deze resultaten, op zeer kleine schaal verkregen, aan die van het industriële productiemiddel.

Eindelijk, onze microfluïdische aanpak is modulair, wat betekent dat elk van de modules zijn nut kan vinden in andere gevallen, bijvoorbeeld, de vloeistof-vloeistofextractiemodule kan nuttig zijn voor de studie van extractieprocessen van organische moleculen (etherische oliën); of de infrarood spectroscopie module voor online monitoring van agrifood of farmaceutische processen. Hiermee kunt u de hoeveelheid ongebonden water bepalen - het is het water dat de moleculen omringt die erin zijn opgelost, maar die geen interactie met hen hebben, een belangrijke parameter die in veel formuleringen van deze industrieën moet worden gevolgd.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.