Редкая переработка

Вот детали электроники от старых компьютеров. Переработка редкоземельных металлов в этих местах может помочь удовлетворить спрос на эти ценные материалы.

Адам Смигельски/iStock/Getty Images Plus

Эрин Уэйман

4 мая 2023 г., 6:30

Наша современная жизнь зависит от металлов, известных как редкоземельные. К сожалению, эти элементы настолько широко используются и популярны, что когда-нибудь нам может не хватить их для удовлетворения потребностей общества.

Благодаря своим особым свойствам эти 17 металлов стали играть решающую роль в производстве высокопроизводительных компьютерных экранов, мобильных телефонов и другой электроники. Их используют компактные люминесцентные лампы. То же самое делают машины медицинской визуализации, лазеры, мощные магниты, оптоволокно и пигменты. Они есть даже в аккумуляторах электромобилей. Эти элементы также являются воротами в благоприятное для климата будущее с низким или нулевым выбросом углерода.

В 2021 году в мире было добыто 280 000 тонн редкоземельных металлов. Это примерно в 32 раза больше, чем в середине 1950-х годов. По оценкам экспертов, к 2040 году нам понадобится в семь раз больше, чем мы используем сегодня.

Нет хороших заменителей большинства работ, которые выполняют редкоземельные элементы. Поэтому удовлетворить наш аппетит на эти металлы будет непросто. В богатых месторождениях они не встречаются. Поэтому шахтерам приходится добывать огромное количество руды, чтобы добыть их. Тогда компаниям придется использовать сочетание физических и химических процессов для концентрации металлов и их разделения.

Эти процессы потребляют много энергии. Они также грязные и используют токсичные химикаты. Еще одна проблема: Китай — чуть ли не единственное место, где эти металлы добываются и перерабатываются. Сейчас, например, во всех Соединенных Штатах имеется только одна действующая шахта по добыче редкоземельных металлов.

Все это объясняет, почему исследователи стремятся переработать эти металлы. Переработка отходов «будет играть очень важную и центральную роль», говорит Икенна Нлебедим. Он учёный-материаловед в Институте критических материалов Министерства энергетики. (Ей управляет Национальная лаборатория Эймса в Айове.)

По словам Нлебедим, в течение 10 лет переработка может удовлетворить до четверти потребности в редкоземельных элементах. Если это правда, говорит он, это было бы «огромно».

В США и Европе принято перерабатывать от 15 до 70 процентов часто используемых металлов, таких как сталь. Однако сегодня только около 1 процента редких земель в старых продуктах перерабатывается, отмечает Саймон Джоуитт. Геолог, он работает в Университете Невады, Лас-Вегас.

«Медная проводка может быть переработана в большее количество медной проводки. Сталь можно просто переработать в большее количество стали», — говорит он. Но многие редкоземельные продукты «не очень пригодны для вторичной переработки».

Почему? Часто их смешивают с другими металлами. Разделить их снова может быть очень сложно. В некотором смысле, переработка редкоземельных элементов из выброшенных предметов примерно так же сложна, как извлечение их из руды и их обработка.

При переработке редкоземельных элементов обычно используются опасные химические вещества, такие как соляная кислота. Он также использует много тепла — и, следовательно, много энергии. И эти усилия могут вернуть лишь небольшое количество металла. Например, жесткий диск компьютера может содержать всего несколько граммов (менее унции) редкоземельных металлов. В некоторых продуктах их может быть в тысячную раз больше.

Но ученые пытаются разработать более эффективные подходы к переработке, чтобы уменьшить потребность в добыче большего количества этих металлов.

Один из подходов привлекает микробы. Бактерии Gluconobacter естественным образом производят органические кислоты. Эти кислоты могут вытягивать редкоземельные элементы, такие как лантан и церий, из использованных катализаторов или из светящихся люминофоров, которые заставляют светиться люминесцентные лампы. Бактериальные кислоты менее вредны для окружающей среды, чем другие кислоты, выщелачивающие металлы, говорит Йошико Фудзита. Она биогеохимик в Национальной лаборатории Айдахо в Айдахо-Фолс.

В экспериментах эти бактериальные кислоты восстанавливают лишь от четверти до половины редкоземельных элементов из катализаторов и люминофоров. Это не так хорошо, как соляная кислота, извлечение которой в некоторых случаях может достигать 99 процентов. Но биологический подход, возможно, все же стоит затраченных усилий, сообщают Фудзита и ее команда.