Nossa sociedade de consumo conectada gera muito lixo eletrônico, cerca de 50 milhões de toneladas por ano em todo o mundo. É mesmo atualmente o resíduo que apresenta o maior crescimento de um ano para o outro. O valor das matérias-primas incluídas neste resíduo é estimado em 50-60 bilhões de euros, dependendo dos preços dos materiais. Legislação e canais de reciclagem para esses resíduos são organizados em muitos países, graças aos sistemas estendidos de responsabilidade do produtor, mas atualmente apenas 20% é reciclado em um processo certificado. Além disso, dos sessenta elementos químicos presentes no lixo eletrônico, apenas uma minoria é reciclada, dez em número_:ouro, prata, platina, cobalto, lata, cobre, ferro, alumínio e chumbo). Todo o resto acaba _ in fine_ desperdiçado em aterros sanitários.

O ideal, do ponto de vista da economia circular, seria, por um lado, prolongar o máximo possível a vida útil desses dispositivos eletrônicos, em particular, prolongando o primeiro uso, e, por outro lado, para facilitar e favorecer a reutilização ou reparo. O fato é que esses aterros representam verdadeiras "minas urbanas":depósitos potenciais para quem sabe como explorá-los.

Como lidamos com o lixo eletrônico?

Reciclar lixo eletrônico significa separar materiais, moléculas ou elementos químicos, para que possam ser comercializados como matéria-prima para a fabricação de novos produtos. Primeiro você tem que desmontar os dispositivos e componentes, classifique-os, moê-los, e finalmente separar os materiais, na maioria das vezes por incineração e, em seguida, por processos químicos baseados em solução.

Obter mais produtos químicos da mina urbana é mais fácil falar do que fazer. O lixo eletrônico é de natureza muito variada e costuma ser misturado a outros tipos de lixo. A composição dos resíduos a serem tratados, portanto, varia de uma pá de cinza do incinerador de resíduos ou de um lote de resíduos para outro. Isso contrasta com a exploração de uma mina "tradicional" onde a composição do minério é muito mais simples e constante, pelo menos em comparação.

O químico se depara com um problema de separação extremamente complexo. Isso explica em parte porque a indústria de reciclagem está atualmente se concentrando nos metais mais concentrados ou economicamente atraentes para recuperar, daí a lista acima.

Nova estratégia:desmantelar, ordenar, moer, dissolver

A classificação visa minimizar a complexidade química da mistura a ser tratada, bem como sua variabilidade. Isso pode ser feito em todas as escalas:a do dispositivo (tipo, geração), de seus módulos (circuitos impressos, baterias, envelopes externos, quadros, etc.), de seus componentes eletrônicos elementares (cabos, resistências, capacidades, salgadinhos, placas nuas, etc.), ou mesmo ao nível do pó resultante da moagem, que pode ser realizado em todas as escalas descritas.

A desmontagem completa dos dispositivos é teoricamente a abordagem mais eficaz. Mas, devido à multiplicidade e complexidade dos equipamentos, é difícil automatizar esta etapa:a desmontagem ainda é realizada principalmente manualmente, o que significa que seu custo costuma ser alto demais para permitir a classificação até o nível dos componentes elementares.

Consequentemente, a abordagem mais comum entre recicladores (MTB, Paprec, Véolia), antes de qualquer tratamento químico, é a retificação na escala do dispositivo ou de seus módulos, seguido por etapas de separação das partículas por métodos físicos usando as diferenças de densidades ou propriedades magnéticas. Dependendo da pureza dos pós obtidos, tratamentos térmicos ou químicos são então usados ​​para refinar a composição dos produtos finais.

No último caso, o processo de separação em solução de elementos químicos mais utilizado é a chamada extração líquido-líquido. Geralmente consiste em dissolver os metais ou seus óxidos em um ácido (por exemplo, ácido nítrico), então fazendo uma emulsão, ou seja, o equivalente a um vinagrete francês. A solução ácida ("vinagre") é vigorosamente misturada com um solvente orgânico (como querosene, "óleo") em uma coluna de extração e uma ou mais moléculas ("mostarda") com a propriedade de promover a transferência de certos metais ("sabores") do ácido para o solvente. Como essa etapa de separação raramente é perfeita, é repetido em série para atingir os níveis de pureza desejados. Várias dúzias, mesmo várias centenas, extrações sucessivas às vezes são necessárias para atingir a pureza desejada.

Otimizar os custos e a eficiência de tais processos requer o estudo da influência de um grande número de parâmetros (por exemplo, as concentrações de espécies químicas, acidez, temperatura, etc.) para definir a combinação que representa o melhor compromisso.

Novos processos para aumentar a taxa de reciclagem

No laboratório SCARCE, estamos trabalhando em novos processos que acabarão por permitir "aumentar o número de elementos químicos reciclados e aumentar suas taxas de reciclagem:por um lado com processos mecânicos (automação de desmontagem e triagem), por outro lado, com processos de extração química em solução.

Por exemplo, como nós vimos, a composição química do lixo eletrônico é muito variável. O desenvolvimento de um processo de extração, para uma composição química específica, pode facilmente levar de cinco a dez anos de pesquisa e otimização, e a adaptação de um processo existente a uma nova composição (por exemplo, um novo metal) requer vários meses a vários anos. Isso dificilmente é compatível com os volumes de resíduos, os recursos e o tempo disponível para a reciclagem de resíduos.

Tubulação microscópica para otimizar a extração de elementos

Para reduzir o tempo e o custo de desenvolvimento de novos processos de extração, miniaturizamos e integramos em um único dispositivo microfluídico todos os equipamentos necessários para um estudo de processo. Em um dispositivo microfluídico, a tubulação é menor do que um milímetro (no nosso caso, 100 µm de espessura, a espessura de dois fios de cabelo ou menos). Isso permite que pequenas quantidades de material sejam usadas:alguns microlitros de solventes e ácidos em vez de mililitros, e alguns miligramas de compostos químicos em vez de gramas. Com a integração de métodos de análise (raios X, infravermelho e sensores), podemos estudar as diferentes combinações de parâmetros continuamente, automaticamente e rapidamente. Isso nos permite fazer um estudo em poucos dias, o que normalmente pode levar vários meses.

Vantagem adicional da microfluídica em comparação com um dispositivo convencional:entendemos melhor os fenômenos de transferência de elementos químicos na interface entre água e óleo. De fato, controlamos a superfície de troca entre água e óleo graças ao uso de membranas porosas, bem como o tempo de contato entre as duas fases, que são empurrados para os canais microfluídicos usando bombas de seringa controladas por computador. Os fluxos de materiais podem então ser calculados com precisão.

Recuperação de terras raras:materiais preciosos e pouco reciclados

Essa abordagem recentemente nos permitiu estudar a extração de metais estratégicos encontrados em telefones celulares. Esses metais, essencial em tecnologias modernas, são produzidos principalmente na China e são pouco reciclados atualmente - menos de 5%. Isso é ainda mais lamentável porque sua produção é muito cara e pode representar problemas sociais e ambientais.

Nossos resultados mostram que a combinação de duas moléculas extratoras específicas torna possível extrair terras-raras com uma eficiência quase 100 vezes maior do que a eficiência das extrações com as moléculas utilizadas separadamente. Além disso, demonstramos extração eficiente em concentrações de ácido 10 a 100 vezes menores do que as usadas na indústria, que gera menos poluição. Também identificamos combinações de parâmetros que tornam possível separar as terras raras com muito mais eficiência, o que é convencionalmente muito difícil de conseguir em algumas etapas. Estamos agora estudando a transposição desses resultados, obtido em uma escala muito pequena, ao da ferramenta de produção industrial.

Finalmente, nossa abordagem microfluídica é modular, o que significa que cada um dos módulos pode encontrar sua utilidade em outros casos, por exemplo, o módulo de extração líquido-líquido pode ser útil para o estudo de processos de extração de moléculas orgânicas (óleos essenciais); ou o módulo de espectroscopia de infravermelho para monitoramento online de processos agroalimentares ou farmacêuticos. Ele permite que você determine a quantidade de água não ligada - é a água que envolve as moléculas que estão dissolvidas nela, mas que não interagem com eles, um parâmetro-chave a seguir em muitas formulações dessas indústrias.

Este artigo foi republicado de The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.