La nostra società dei consumi connessa genera molti rifiuti elettronici, circa 50 milioni di tonnellate all'anno in tutto il mondo. Sono anche attualmente i rifiuti che mostrano la crescita più forte da un anno all'altro. Il valore delle materie prime incluse in questi rifiuti è stimato in 50-60 miliardi di euro, a seconda dei prezzi dei materiali. La legislazione e i canali di riciclaggio per questi rifiuti sono organizzati in molti paesi, grazie a sistemi di responsabilità estesa del produttore, ma attualmente solo il 20% viene riciclato in un processo certificato. Inoltre, dei sessanta elementi chimici presenti nei rifiuti elettronici, solo una minoranza viene riciclata, dieci in numero_:oro, d'argento, platino, cobalto, lattina, rame, ferro da stiro, alluminio e piombo). Tutto il resto finisce _in fine_ sprecato nelle discariche.

L'ideale, dal punto di vista dell'economia circolare, sarebbe da un lato prolungare il più possibile la durata di vita di questi dispositivi elettronici, in particolare prolungando il primo utilizzo, e dall'altro per facilitare e favorire il riutilizzo o la riparazione. Resta il fatto che queste discariche rappresentano delle vere e proprie “mine urbane”:potenziali giacimenti per chi le sa sfruttare.

Come gestiamo i rifiuti elettronici?

Riciclare i rifiuti elettronici significa separare i materiali, molecole o elementi chimici, in modo che possano essere venduti come materie prime per la fabbricazione di nuovi prodotti. Per prima cosa devi smontare i dispositivi e i componenti, ordinarli, macinarli, e infine separare i materiali, il più delle volte mediante incenerimento e poi mediante processi chimici a base di soluzione.

Ottenere più prodotti chimici dalla miniera urbana è più facile a dirsi che a farsi. I rifiuti elettronici sono di natura molto varia e spesso vengono mischiati con altri tipi di rifiuti. La composizione dei rifiuti da trattare varia quindi da una pala di cenere dell'inceneritore o da un lotto di rifiuti all'altro. Ciò contrasta con lo sfruttamento di una miniera "tradizionale" dove la composizione del minerale è molto più semplice e costante, almeno in confronto.

Il chimico deve affrontare un problema di separazione estremamente complesso. Questo spiega in parte perché l'industria del riciclaggio si sta attualmente concentrando sui metalli più concentrati o economicamente attraenti da recuperare, quindi l'elenco di cui sopra.

Nuova strategia:smantellare, ordinare, macinare, sciogliere

La cernita mira a ridurre al minimo la complessità chimica della miscela da trattare, così come la sua variabilità. Si può fare a tutte le scale:quella del dispositivo (tipo, generazione), dei suoi moduli (circuiti stampati, batterie, buste esterne, cornici, eccetera.), dei loro componenti elettronici elementari (cavi, resistenze, capacità, patatine fritte, tavole nude ecc.), o anche al livello della polvere risultante dalla macinazione, che può essere effettuato su tutte le scale descritte.

Lo smontaggio completo dei dispositivi è teoricamente l'approccio più efficace. Ma, a causa della molteplicità e complessità delle attrezzature, è difficile automatizzare questo passaggio:lo smontaggio è ancora prevalentemente manuale, il che significa che il suo costo è spesso troppo elevato per consentire lo smistamento fino al livello dei componenti elementari.

Di conseguenza, l'approccio più diffuso tra i riciclatori (MTB, Paprec, Veolia), prima di qualsiasi trattamento chimico, è la macinazione alla scala del dispositivo o dei suoi moduli, seguito da fasi di separazione delle particelle con metodi fisici utilizzando le differenze di densità o proprietà magnetiche. A seconda della purezza delle polveri ottenute, vengono poi utilizzati trattamenti termici o chimici per affinare la composizione dei prodotti finali.

Nel secondo caso, il processo di separazione in soluzione più utilizzato di elementi chimici è la cosiddetta estrazione liquido-liquido. Consiste solitamente prima di sciogliere i metalli o i loro ossidi in un acido (ad esempio acido nitrico), poi fare un'emulsione, vale a dire l'equivalente di una vinaigrette francese. La soluzione acida ("aceto") viene energicamente miscelata con un solvente organico (come cherosene, "olio") in una colonna di estrazione e una o più molecole ("senape") aventi la proprietà di favorire il trasferimento di determinati metalli ("sapori") da acido a solvente. Poiché questo passaggio di separazione è raramente perfetto, viene ripetuto in serie per raggiungere i livelli di purezza desiderati. Diverse decine, anche diverse centinaia, a volte sono necessarie estrazioni successive per raggiungere la purezza desiderata.

L'ottimizzazione dei costi e dell'efficienza di tali processi richiede lo studio dell'influenza di un numero molto elevato di parametri (ad esempio, le concentrazioni di specie chimiche, acidità, temperatura, ecc.) al fine di definire la combinazione che rappresenta il miglior compromesso.

Nuovi processi per aumentare il tasso di riciclaggio

Nel laboratorio SCARSO, stiamo lavorando a nuovi processi che alla fine consentiranno di "aumentare il numero di elementi chimici riciclati e aumentare i loro tassi di riciclaggio:da un lato con processi meccanici (automazione di smontaggio e smistamento), dall'altro con processi di estrazione chimica in soluzione.

Per esempio, come abbiamo visto, la composizione chimica dei rifiuti elettronici è molto variabile. Lo sviluppo di un processo di estrazione, per una specifica composizione chimica, possono facilmente richiedere da cinque a dieci anni di ricerca e ottimizzazione e l'adattamento di un processo esistente a una nuova composizione (ad esempio un nuovo metallo) richiede da diversi mesi a diversi anni. Questo è difficilmente compatibile con i volumi di rifiuti, le risorse e il tempo a disposizione per il riciclaggio dei rifiuti.

Tubazioni microscopiche per ottimizzare l'estrazione degli elementi

Per ridurre i tempi e i costi di sviluppo di nuovi processi di estrazione, abbiamo miniaturizzato e integrato in un unico dispositivo microfluidica automatizzato tutte le apparecchiature necessarie per uno studio di processo. In un dispositivo microfluidico, la tubazione è più piccola di un millimetro (nel nostro caso di 100 µm di spessore, lo spessore di due capelli o meno). Ciò consente di utilizzare quantità molto ridotte di materiale:pochi microlitri di solventi e acidi invece di millilitri, e pochi milligrammi di composti chimici invece di grammi. Con l'integrazione di metodi di analisi (raggi X, infrarossi e sensori), possiamo studiare continuamente le diverse combinazioni di parametri, automaticamente e rapidamente. Questo ci permette di fare uno studio in pochi giorni che normalmente può richiedere fino a diversi mesi.

Ulteriore vantaggio della microfluidica rispetto a un dispositivo convenzionale:comprendiamo meglio i fenomeni di trasferimento di elementi chimici all'interfaccia tra acqua e olio. Infatti, controlliamo sia la superficie di scambio tra acqua e olio grazie all'utilizzo di membrane porose, così come il tempo di contatto tra le due fasi, che vengono spinti nei canali microfluidici utilizzando pompe a siringa controllate da computer. I flussi di materiale possono quindi essere calcolati con precisione.

Recupero delle terre rare:materiali preziosi e poco riciclati

Questo approccio ci ha recentemente permesso di studiare l'estrazione di metalli strategici trovati nei telefoni cellulari. Questi metalli, essenziale nelle moderne tecnologie, sono prodotti principalmente in Cina e attualmente sono poco riciclati – meno del 5%. Ciò è tanto più spiacevole in quanto la loro produzione è molto costosa e può porre problemi sociali e ambientali.

I nostri risultati mostrano che la combinazione di due specifiche molecole estrattive consente di estrarre terre rare con un'efficienza quasi 100 volte maggiore dell'efficienza delle estrazioni con le molecole utilizzate separatamente. Inoltre, abbiamo dimostrato un'estrazione efficiente a concentrazioni di acido da 10 a 100 volte inferiori a quelle utilizzate nell'industria, che genera meno inquinamento. Abbiamo anche identificato combinazioni di parametri che consentono di separare le terre rare in modo molto più efficiente l'una dall'altra, che è convenzionalmente molto difficile da realizzare in pochi passaggi. Stiamo ora studiando la trasposizione di questi risultati, ottenuto su piccola scala, a quello dello strumento di produzione industriale.

Finalmente, il nostro approccio microfluidico è modulare, il che significa che ciascuno dei moduli può trovare la sua utilità in altri casi, Per esempio, il modulo di estrazione liquido-liquido può essere utile per lo studio di processi di estrazione di molecole organiche (oli essenziali); oppure il modulo di spettroscopia a infrarossi per il monitoraggio online di processi agroalimentari o farmaceutici. Ti consente di determinare la quantità di acqua non legata:è l'acqua che circonda le molecole che sono disciolte in essa, ma che non interagiscono con loro, un parametro chiave da seguire in molte formulazioni di queste industrie.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.