Извлечение драгоценных металлов из электронных отходов

Извлечение драгоценных и недрагоценных металлов из электронных отходов

Что, если я скажу вам, что мы ежегодно отправляем на свалки отходы на сотни миллионов долларов? Если вы оглянетесь вокруг в комнате, где сейчас находитесь, вы, вероятно, увидите множество электронных устройств. Наша зависимость от электронных устройств в повседневной жизни растет, а стремительный технологический прогресс постоянно приводит к появлению на рынке обновленных моделей. Это означает, что выбрасывается все больше устройств, и на свалки отправляется больше, чем когда-либо.

Несколько основных и драгоценных металлов составляют важные компоненты электронных устройств. Свойства этих металлов делают их идеальными для переработки и повторного использования. Тем не менее, исследования показали, что перерабатывается только 22,3% электронных устройств. Это оставляет огромный неиспользованный объем ценных металлов, которые можно было бы продать или использовать повторно, вместо того чтобы они пылились на свалках. Эффективное извлечение металлов из этих устройств может иметь множество экологических преимуществ, от снижения экономической нагрузки на переработку электроники до уменьшения спроса на руду для добычи полезных ископаемых.

1. Масштабы электронных отходов

Электронные отходы (далее — электронные отходы) — это общее название отходов, содержащих электронные компоненты, от компьютеров до промышленного оборудования. Электронные отходы классифицируются как опасные отходы из-за наличия токсичных химических веществ, таких как ртуть, свинец и бромированные антипирены. Электронные отходы представляют собой сложную смесь пластмасс и металлов, а в сочетании с опасными химическими компонентами их надлежащее управление отходами является трудоемким и дорогостоящим процессом. Из-за этих проблем большая часть электронных отходов отправляется на свалки, и лишь очень небольшая их часть перерабатывается.

Согласно данным Global E-waste Monitor 2024, только в 2022 году на свалки было сброшено 14 миллионов тонн электронных отходов. В настоящее время управление электронными отходами позволяет извлечь вторичное сырье на сумму 28 миллиардов долларов США из потенциального объема в 91 миллиард долларов США, при этом большая часть потерь происходит из-за сжигания, захоронения на свалках или ненадлежащей обработки. В Европе действуют более строгие правила переработки электронных отходов, и 42,8% электронных отходов, образовавшихся в 2022 году, были официально собраны и переработаны.

Электронные отходы представляют собой серьезную экологическую проблему; однако они также являются в значительной степени неиспользованным нетрадиционным ресурсом цветных и драгоценных металлов.

Электронные отходы содержат несколько цветных и драгоценных металлов, таких как золото, серебро, медь, никель и палладий. Наличие эффективного метода извлечения этих металлов означает, что их можно повторно использовать, или, если металлы извлекаются с высокой степенью чистоты, их можно продавать, чтобы компенсировать затраты на переработку и утилизацию электронных отходов. Эти металлы обычно встречаются в печатных платах, что делает их наиболее ценными металлическими компонентами. Это делает печатные платы привлекательным ресурсом для извлечения металлов; однако они содержат разнообразную смесь металлов, припоя и полимеров. Такой состав усложняет процесс переработки и требует разработки технологий для повышения эффективности извлечения металлов.

Электронные отходы (навязываемые электронными отходами) — это широкий спектр, исходные материалы, содержащие электронные компоненты, от коллоквиумов до комерной техники. Электронные отходы относятся к категории особых отходов из-за прихода токических химических веществ, таких как ртуть, свинцы и бромированные антипии. Электронные отходы представляют собой смесь пластов и кроллов и в сочетании с сопоставимыми физическими компонентами делают управление отходами труемными и дорогими. Из-за этих проблем значительная часть электронных отходов отражается на свалке, а очень небольшая их часть перестраивается.

2. Ценность извлечения металлов

Большая часть металла содержится в печатных платах (ПП) электронного оборудования, и содержание металла варьируется в зависимости от типа электронных отходов. Электронные отходы классифицируются на 4 категории – Cat1, Cat2, Cat3, Cat4.

К категории Cat1 относятся крупные бытовые приборы, такие как холодильники, стиральные машины, кондиционеры, плиты и т. д. Cat2 включает более мелкие приборы, такие как пылесосы, тостеры, микроволновые печи и т. д. К категории Cat3 относятся компьютеры, телефоны и другие ИТ- и телекоммуникационные устройства, такие как телефоны, персональные компьютеры и планшеты. А категория Cat4 включает массовую электронику, такую ​​как телевизоры, мониторы, аудиооборудование и колонки, видеокамеры и т. д.

Эти категории помогают классифицировать ПП по их качеству и рассчитывать их стоимость на основе содержания металла. Например, известно, что в категориях Cat1 и Cat2 содержатся ПП низкого качества, в то время как в категориях Cat3 и Cat4 – ПП высокого качества.

В таблице ниже показано содержание основных и драгоценных металлов в печатных платах в зависимости от их классификации по категориям.

‍

Таблица 1: Концентрация металлов в печатных платах различных категорий электронных отходов.

На основе данных, представленных в отчете Global E-waste Monitor 2024, мы можем рассчитать объем электронных отходов, образующихся в каждой из этих 4 категорий. Приблизительно определив процентное содержание ПХБ в каждой категории, мы можем получить количество отходов ПХБ в каждой категории и соответствующую рыночную стоимость каждого металла (по состоянию на 2025 год):

Таблица 2: Средняя стоимость каждого металла в различных категориях электронных отходов в 2025 году. *Цена за кг металла указана по состоянию на сентябрь 2025 года. Общие цены и расчеты являются приблизительными. Цены и значения указаны в долларах США.

‍

Как видно из приведенной выше таблицы, общий потенциальный объем извлечения металлов с рынка электронных отходов в настоящее время оценивается примерно в 37 млрд долларов, а объем электронных отходов, по прогнозам, будет расти на 3,7% в год. Электронные отходы с самым высоким содержанием золота относятся к категории 3.

На следующем графике показано распределение металлов в электронных отходах по стоимости, а не по содержанию металла:

Палладий, золото, медь и серебро в совокупности составляют почти 96% от общей стоимости всех цветных металлов, используемых в производстве печатных плат, и представляют собой наибольшую возможность для извлечения драгоценных металлов из электронных компонентов.

‍

3. Процессы переработки электронных отходов

Электронные отходы могут иметь самые разнообразные формы, размеры и сложность, от «умных» холодильников до портативных игровых консолей. Это означает, что процесс извлечения и переработки не может быть одинаковым для всех устройств, что делает процесс сортировки и переработки более сложным и требует нескольких этапов обработки, прежде чем можно будет начать процесс извлечения металлов.

3.1 Физическая/механическая сортировка

Первый этап процесса сортировки включает разборку электронного устройства на более мелкие компоненты и удаление опасных элементов. Затем эти компоненты можно разделить на материалы для переработки и другие металлосодержащие фракции, такие как печатные платы. Процесс разборки обычно требует большого объема интенсивной ручной сортировки материалов перед переходом к следующему этапу. Начинают разрабатываться более автономные методы разборки и сортировки. Например, Apple разработала роботов «Лиам и Дейзи», способных одновременно разбирать несколько iPhone и перерабатывать компоненты для повторного использования. Разработка автономной сортировки может снизить трудозатраты и упростить этап сортировки.

Следующий этап — физическая обработка для измельчения металлосодержащих компонентов на более мелкие фракции, включая компоненты, пригодные для повторного использования, и печатные платы. Он включает в себя несколько этапов измельчения с использованием шредеров, дробилок или измельчителей для дробления компонентов на управляемые части.

Существует несколько ключевых методов, используемых при физической сортировке металлических и неметаллических фракций.

Измельчение или дробление изменяет форму металлов и неметаллов. Некоторые металлы пластичны и под давлением принимают сферическую форму, в то время как неметаллы остаются несферическими. Этот эффект формы, наряду с различной удельной плотностью, может быть использован для разделения различных фракций.

Жидкостная сортировка использует различную удельную плотность металлов и неметаллов для разделения на фракции. Обработанные печатные платы помещают в жидкий раствор, часто тетрабромэтан или ацетон, при этом неметаллы всплывают ближе к поверхности, а металлы опускаются ближе ко дну. Жидкостная сортировка — это простой процесс; однако его эффективность низка и зависит от размера и формы частиц.

Другой процесс — электростатическая сепарация. Как следует из названия, этот процесс разделяет материалы на основе их способности проводить электричество. Неметаллические фракции, которые не проводят электричество, сортируются с помощью вибрационного сита. Ограничением этого метода является то, что он применим только к частицам малого размера.

Наконец, магнитная сепарация используется для извлечения черных металлов, таких как медь. Магнитная сепарация эффективна только в том случае, если проводится до дробления. Сначала выполняется магнитная сепарация, затем следует дробление, после чего проводится электростатическая обработка.

Физическая сортировка имеет ряд существенных ограничений, препятствующих ее широкомасштабному применению. Методы сортировки сопряжены с высокой вероятностью потери драгоценных металлов и невозможностью извлечения металлов высокой чистоты. Кроме того, использование этих методов сопряжено с высокими эксплуатационными и энергетическими затратами.

3.2 Извлечение металлов

После завершения механической сепарации мы рассматриваем три различных варианта дальнейшей обработки сырья, которые в настоящее время используются для извлечения как драгоценных, так и недрагоценных металлов из печатных плат.

3.2.1 Пирометаллургия + Электрорафинирование

В настоящее время плавка является одним из наиболее распространенных процессов, при этом до 70% ПХБ обрабатываются на плавильных заводах. По сути, измельченные ПХБ сжигаются и плавятся в печах. Этот метод лишь частично удаляет примеси. В результате образуется сплав платиновых металлов с низкой концентрацией, для переработки которого необходимо удалить основные металлы. Извлечение основных металлов на интегрированных плавильных заводах ограничено медью, поскольку железо и алюминий концентрируются в образующемся шлаке. ПХБ также содержат керамику и стекло, которые способствуют образованию большего количества шлака, что приводит к большей потере извлекаемых драгоценных и основных металлов. Помимо высокого энергопотребления, плавка сопряжена с высоким риском образования диоксинов и других опасных токсинов. Существуют сложные процессы снижения загрязнения для контроля любых выбросов в атмосферу.

Дополнительным этапом, необходимым для дальнейшей обработки металлов, является электрорафинирование. В процессе электрорафинирования аноды отливаются из расплавленного сплава, а катоды из чистой меди получают в электрорафинировочных ячейках. Во время электролиза медь растворяется в растворе и осаждается в чистом виде в виде медного катода. Благородные металлы, такие как золото и платиновые металлы, не растворяются в растворе, а оседают на дне ячейки (или мешка с анодом), образуя анодный шлам каждые 15-20 дней. Другие, менее благородные металлы растворяются на аноде, но плохо осаждаются, что приводит к накоплению примесей и загрязнению электролита, требующему удаления излишков для поддержания качества медного катода.

Другой вариант — извлечение драгоценных металлов в течение 24 часов с помощью процесса растворения и электролитического осаждения. Это позволит исключить необходимость отливки анодов, а также обработку и переработку отработанных анодов. Этот вопрос будет рассмотрен в разделе 3.2.2.

Аутсорсинг переработки (плавка)

Некоторые предприятия по переработке электронных отходов предпочитают передавать дальнейшую переработку сырья сторонним организациям, чтобы избежать капитальных вложений и операционных проблем, связанных с рафинированием. В большинстве случаев эти предприятия перерабатывают металлы методом плавки (или пиролиза).

Хотя процессы плавки, как правило, очень эффективны при переработке больших объемов материалов, сложно определить точный состав различных партий, обрабатываемых на линии плавки, а точный отбор проб может быть затруднен, если материалы неоднородны. Транспортные расходы могут быть высокими, а оборотный капитал может быть заморожен, если возврат с плавильного завода занимает несколько месяцев.

Недостатки аутсорсинга переработки:

• Низкая реализованная стоимость
• Высокие транспортные расходы
• Длительные сроки оплаты
• Замороженный оборотный капитал
• Высокий углеродный след

Переработка на месте (плавка)

В некоторых случаях переработчики строят собственные плавильные заводы, которые очень похожи на заводы сторонних компаний, но обычно меньше по размеру. Они сталкиваются с аналогичными экологическими и эксплуатационными проблемами, но извлекают реальную ценность металлов и не несут транспортных расходов.

Недостатки переработки на месте:

• Трудно получить разрешение на плавку, и это требует больших капиталовложений.
• Требуются дополнительные этапы переработки.
• Более высокие оборотные капиталовложения в драгоценных металлах.
• Высокий углеродный след.

‍

3.2.2 Разложение + Электролитическое осаждение

Еще один способ переработки электронных отходов — это разложение в сочетании с другими технологиями очистки. Этот метод использует комбинацию щелочного или кислотного выщелачивания с последующей очисткой. Существует несколько различных методов очистки металлов, включая цементацию, ионный обмен, экстракцию растворителями, адсорбцию на активированном угле и электролитическое осаждение.

Этапу разложения предшествует предварительная обработка печатных плат на частицы цветных металлов, которые могут содержать различные металлы, включая золото, серебро, медь и платиновые металлы. В процессе разложения медь растворяется, а золото, серебро и платиновые металлы остаются в виде остатка менее чем за 24 часа и могут быть переработаны в чистый металл или проданы на предприятия по переработке драгоценных металлов. Подробнее о том, как извлекать золото и серебро из электроники с помощью разложения и электролитического осаждения, можно прочитать здесь.

‍

Теперь, когда медь после обработки находится в растворе, можно подавать постоянный ток, и медь электроосаждается на катод. Метод электролитического осаждения успешно используется для извлечения меди из электролита в виде катодов высокой чистоты. Однако могут присутствовать другие растворенные металлы, которые будут конкурировать с медью за электроосаждение на катоде в качестве примеси и могут потребовать предварительной обработки для обеспечения производства высококачественных медных катодов.

Традиционный метод электролитического осаждения также имеет некоторые ограничения с точки зрения селективности, стоимости эксплуатации и безопасности окружающей среды. Эти традиционные ячейки имеют низкую скорость массопереноса, что обеспечивает более длительное время пребывания других растворенных ионов вблизи поверхности катода. После восстановления ионов меди вблизи поверхности катода эти другие конкурирующие ионы также электроосаждаются и снижают чистоту медного катода. Еще одним ограничением является то, что открытые ячейки генерируют кислотный туман, что затрудняет работу операторов вблизи ячеек. Поскольку электролитическое осаждение — это периодический процесс, традиционные электролитические ячейки испытывают трудности с получением когерентных катодов при низких концентрациях меди. Новая система электролитического осаждения преодолевает многие из этих ограничений традиционного электролитического осаждения.

‍

 Система электролитического осаждения меди emew использует цилиндрические ячейки, в которых электролит быстро циркулирует по катоду, улучшая массоперенос, что позволяет получать пригодные для продажи медные катоды даже при низких концентрациях. Во время электролиза меди кислота регенерируется в ячейке и может быть использована повторно в процессе удаления меди, что снижает общее потребление кислоты и образование отходов.

Кроме того, ячейки электролитического осаждения emew представляют собой замкнутую систему, которая исключает такие опасные явления, как кислотный туман и другие вредные газы, обеспечивая гораздо более безопасную рабочую среду. Благодаря автоматической очистке катодных трубок emew от исходных листов (материнских заготовок) отпадает необходимость в дополнительном оборудовании для очистки, которое требуется в обычных ячейках электролитического осаждения.

4. Заключение

Неправильное обращение с электронными отходами не только представляет собой упущенную финансовую выгоду, но и способствует глобальному потеплению. Если металлы из электронных отходов не перерабатываются, нам приходится инвестировать в добычу и переработку первичных металлов. Добыча, вероятно, станет дороже из-за снижения содержания металлов в рудах.

В 2022 году объем образования электронных отходов в мире достиг 62 миллионов тонн, стоимость которых оценивается примерно в 62 миллиарда долларов США в виде извлекаемого сырья и предотвращенных выбросов, однако только 22,3% были должным образом утилизированы, при этом контроль остается слабым, а переработка часто недостаточна во многих регионах.

Еще один вариант, который рассматривают правительства, — это принуждение производителей к переработке собственной продукции или возложение на них платы за переработку или утилизацию. Идея этого законодательства заключается в том, что как только производители будут вынуждены оплачивать стоимость переработки, они будут инвестировать в повышение возможности переработки своей продукции. Правительства также пытаются побудить потребителей к переработке старой электроники посредством просвещения и повышения осведомленности. Доказано, что когда сбор электронных отходов становится удобным и простым для потребителей, муниципалитеты начинают наблюдать увеличение объемов сбора.

У каждого способа переработки есть свои преимущества и недостатки.

По мере того, как извлечение металлов из печатных плат и других видов электроники становится более экономически выгодным и более строго регулируемым, разрабатываются новые устойчивые и экологически чистые технологии, которые упрощают и повышают эффективность переработки. Наша задача — воплотить в жизнь идею городской переработки, сохранить окружающую среду и внести вклад в развитие экономики замкнутого цикла.

Есть вопросы по вашему проекту? Мы будем рады пообщаться!

Дополнительные ресурсы

В этом видео доктор Майкл Корженски делится ценной информацией об извлечении драгоценных металлов из электронных отходов. Он также ответил на наши вопросы относительно ценности этих металлов в электронных отходах и методов, используемых для их извлечения.

Загрузки

Источники:

Solving the E-waste problem initiative http://www.step-initiative.org/

Hsu et al (2019). Advancements in the Treatment and Processing of Electronic Waste with Sustainability: A Review of Metal Extraction and Recovery Technologies. Green Chemistry

Kaya, M (2016). Recovery of metals and nonmetals from electronic waste by physical and chemical recycling processes. Waste management

Debnath et al (2018). Sustainability of metal recovery from E-waste. Frontiers of environmental science and engineering.

Memon et a (2017). Design for recovery of precious and base metals from e-waste using electrowinning process. International Journal of Advance Research in Engineering, Science & Technology

Materials (2014) Characterization of Printed Circuit Boards for Metal and Energy Recovery after Milling and Mechanical Separation

https://globalewaste.org/

Cucchiella, F., D’Adamo, I., Lenny Koh, S.C. et al. (1 more author) (2016) A profitability assessment of European recycling processes treating printed circuit boards from waste electrical and electronic equipments. Renewable and Sustainable Energy Reviews

https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/electrorefining

https://www.epa.gov/sites/default/files/2014-05/documents/handout-10-circuitboards.pdf

‍