Wydobywanie odpadów przemysłowych i starego sprzętu elektronicznego w celu uzyskania niezbędnych pierwiastków rzadkich wymaga zastosowania skomplikowanej chemii.
W większości układów okresowych w drugim rzędzie od dołu znajdują się lantanowce, wyodrębnione z archiwum pierwiastków, które nie wie, co z nimi zrobić. Lantanowce stanowią zwartą grupę, którą trudno odróżnić od siebie ze względu na podobne kolory i właściwości. Nawet dla większości naukowców żyją one w zimnej i odległej krainie, na wskroś nieorganicznej i dalekiej od wygód wodoru, węgla i tlenu.
Jednak metale te mają kluczowe znaczenie dla funkcjonowania współczesnego świata. Należą do grupy znanej jako pierwiastki ziem rzadkich, które stanowią podstawę wszystkiego – od magnesów zasilających technologie czystej energii, przez soczewki teleskopów, po ekran urządzenia, na którym właśnie czytasz te słowa. Ich wydobycie jest trudne i ekologicznie kosztowne.
Dlatego chemicy i inżynierowie starają się jak najlepiej wykorzystać pierwiastki ziem rzadkich, które zostały już przetworzone, poprzez ich recykling z odpadów przemysłowych i zużytej elektroniki. W najnowszych badaniach, opublikowanych 9 lutego w Science Advances, pokazują, jak próbują tego dokonać za pomocą jasnych błysków energii elektrycznej.
Większość pierwiastków ziem rzadkich nie jest aż tak rzadka (na pewno nie w porównaniu z naprawdę rzadkimi pierwiastkami, takimi jak iryd), ale niełatwo je zdobyć. Po wydobyciu rudy z ziemi trzeba je oddzielić, aby uzyskać specjalistyczne produkty – proces ten jest żmudny, biorąc pod uwagę ich podobne właściwości. Większość metali ziem rzadkich wydobywa się z lantanu i ceru, ale cięższe metale, takie jak neodym i dysproz, są szczególnie pożądane w magnesach stosowanych w technologiach czystej energii.
Większość (według niektórych szacunków ponad 90%) światowych dostaw pochodzi obecnie z Chin, co sprawia, że surowce te są bardziej podatne na napięcia geopolityczne. W 2010 r., po tym jak chińska łódź rybacka zderzyła się z łodzią japońskiej straży przybrzeżnej na spornych wodach, Chiny wstrzymały eksport metali ziem rzadkich do Japonii. Blokada nie trwała długo, ale od tego czasu Japonia agresywnie poszukiwała alternatywnych źródeł metali ziem rzadkich. Podobnie uczyniły inne kraje.
Co ważniejsze, wydobycie pierwiastków ziem rzadkich wiąże się z kosztami dla środowiska. „Jest to proces energo- i chemicznie intensywny” – mówi Simon Jowitt, geochemik z Uniwersytetu Nevady w Las Vegas, który nie brał udziału w najnowszych badaniach. „Zależnie od sposobu przetwarzania, wymaga to użycia kwasów o dużej mocy”. Kwasy te mogą przedostawać się do środowiska.
Jednym ze sposobów zmniejszenia tego obciążenia jest recykling towarów, które już zawierają te pierwiastki – ale to wciąż nie jest powszechne. Callie Babbitt, profesor zrównoważonego rozwoju w Rochester Institute of Technology w stanie Nowy Jork, która również nie brała udziału w nowych badaniach, twierdzi, że tylko około 1-5% światowych zasobów metali ziem rzadkich jest poddawanych recyklingowi.
Dlatego też naukowcy wprowadzają innowacje, aby znaleźć nowe sposoby rozkładu pierwiastków ziem rzadkich. Niektórzy próbowali już bakterii, ale ich karmienie okazało się energochłonne.
Obecnie grupa z Uniwersytetu Rice opracowała metodę recyklingu, która opiera się na intensywnym wykorzystaniu energii elektrycznej, zwanym „błyskawicznym ogrzewaniem dżulowym”. Naukowcy stojący za tą metodą testowali ją wcześniej na starych, pociętych płytkach drukowanych, aby pozbawić je metali szlachetnych, takich jak pallad i złoto, oraz metali ciężkich, takich jak chrom i rtęć, przed bezpiecznym usunięciem ich do gleby rolnej.
Tym razem zastosowali grzanie joule’a do innych przemysłowych produktów ubocznych: popiołu lotnego z węgla, który jest zanieczyszczeniem pochodzącym z elektrowni zasilanych paliwami kopalnymi, czerwonego błota, które jest toksyczną substancją pozostałą po przeróbce boksytu na aluminium, a także do odpadów elektronicznych.
Ich proces wyglądał mniej więcej tak. Rozkładaną substancję umieszczano w kwarcowej rurce wielkości palca, gdzie prąd elektryczny „rozpalał” ją do temperatury około 5400 stopni Fahrenheita. Oddzielone składniki były następnie rozpuszczane w roztworze, który chemicy mogli później odzyskać.
W trakcie procesu uwalniane są pewne toksyczne związki, ale system ma na celu ich wychwycenie i zapobieżenie przedostaniu się do powietrza. „Kiedy robi się to przemysłowo, nie uwalnia się tych związków po prostu do powietrza” – mówi James Tour, chemik z Uniwersytetu Rice i jeden z autorów badania. „Wyłapywalibyśmy je”.
„Nasz strumień odpadów jest zupełnie inny” – wyjaśnia Tour. W przeciwieństwie do silnego kwasu azotowego, który jest często używany do wydobywania pierwiastków ziem rzadkich z ziemi, ich roztwór to znacznie słabszy, bardziej rozcieńczony kwas solny. „Gdyby ten kwas dostał się na rękę, nie sądzę, abyś go nawet poczuł” – mówi Tour.
Jednak nawet po dokonaniu kroku naprzód w tych badaniach minie jeszcze trochę czasu, zanim stosy odpadów przemysłowych będzie można poddać recyklingowi w celu pozyskania pierwiastków ziem rzadkich. „W tej dziedzinie wiele się dzieje, ale nie widziałem jeszcze żadnych przełomowych odkryć” – mówi Jowitt.
Według Jowitta jednym z problemów związanych z ogrzewaniem joule’ami jest to, że pierwiastki ziem rzadkich nadal muszą być oddzielone, zanim będzie można z nich uformować gadżety. Co więcej, wykorzystanie zanieczyszczeń, takich jak popiół lotny z węgla, oznacza, że po procesie pozostaną inne szkodliwe pozostałości. „Ekstrakcja i odzyskiwanie zawartych w nich [pierwiastków ziem rzadkich] to tylko część większego wyzwania, jakim jest zarządzanie tymi odpadami” – mówi Babbitt.
Jeśli chodzi o e-odpady, wydobycie cennych komponentów z gór zużytych komputerów i telefonów nie będzie łatwe. Na przykład ilość pierwiastków ziem rzadkich w przeciętnym smartfonie to ułamki grama. A wielu konsumentów nie wie, gdzie i jak można je oddać do recyklingu.
W związku z tym Jowitt uważa, że rozwiązanie może leżeć w produktach zwiększających zapotrzebowanie na metale ziem rzadkich. „Jedną z oczywistych rzeczy jest zmiana sposobu projektowania rzeczy, tak aby w większym stopniu nadawały się do recyklingu”.
