Xã hội tiêu dùng kết nối hiện nay tạo ra rất nhiều chất thải điện tử, khoảng 50 triệu tấn mỗi năm trên toàn thế giới. Nó thậm chí còn là chất thải tăng trưởng mạnh nhất từ năm này qua năm khác. Giá trị của các chất liệu thô nằm trong chất thải này ước tính khoảng 50-60 tỷ euro, theo thời giá hiện nay.
Các kênh pháp lý và tái chế chất thải này được tổ chức ở nhiều quốc gia. Ở Pháp, dù được sự trợ giúp của các tổ chức sinh thái, nhưng chỉ có 20% được tái chế tại một cơ sở được chứng nhận. Ngoài ra, trong số 60 nguyên tố hóa học có trong chất thải điện tử, chỉ có một số ít được tái chế, gần 10 chất: vàng, bạc, bạch kim, coban, thiếc, đồng, sắt, nhôm và chì. Các chất còn lại bị lãng phí trong các bãi rác.
Theo quan điểm của nền kinh tế tuần hoàn, lý tưởng nhất sẽ là: một mặt kéo dài tuổi thọ của các thiết bị điện tử này, đặc biệt là kéo dài thời gian trong lần sử dụng đầu tiên, mặt khác là tạo điều kiện dễ dàng để sửa chữa và tái sử dụng. Vì vậy, những bãi rác điện tử này thật sự là các “mỏ đô thị” (mine urbain) tiềm năng cho những ai biết cách khai thác chúng.
Chất thải điện tử được xử lý như thế nào?
Tái chế chất thải điện tử có nghĩa là tách các vật liệu, phân tử hay các nguyên tố hóa học để có thể bán chúng làm nguyên liệu thô nhằm sản xuất ra các sản phẩm mới. Trước hết phải tháo dỡ các thiết bị và linh kiện, phân loại chúng, nghiền chúng và cuối cùng là tách các vật liệu bằng cách thông dụng nhất là đốt và sau đó ứng dụng các giải pháp quy trình.
Thu hồi các chất liệu hóa học từ mỏ đô thị, nói thì dễ nhưng làm thì khó hơn rất nhiều. Thực tế, chất thải điện tử rất đa dạng và thường nằm lẫn lộn với các loại chất thải khác. Thành phần, của chất thải cần phải xử lý, thay đổi theo từng lô tro chất thải đã đốt hay từng lô chất thải riêng rẽ. Điều này, trái ngược với hoạt động khai thác mỏ truyền thống mà thành phần của quặng đơn giản và ổn định hơn nhiều nếu so sánh với mỏ đô thị.
Nhà hóa học phải đối diện với vấn đề phân tách cực kỳ phức tạp. Điều này, phần nào giải thích tại sao công nghiệp tái chế hiện chỉ tập trung vào các kim loại có thể mang về lợi ích kinh tế cao nhất như danh mục 9 kim loại nêu trên.
Tiếp cận tổng thể
Việc phân loại nhằm mục đích giảm thiểu độ phức tạp các thành hóa học của hỗn hợp cần xử lý cũng như tính biến đổi của nó. Việc phân loại có thể được thực hiện ở tất cả các tỷ lệ: tỷ lệ của thiết bị (loại, thế hệ), tỷ lệ của các mô-đun (mạch in, pin, vỏ bọc bên ngoài, khung…), tỷ lệ của các thành phần điện tử cơ bản (cáp, điện trở, công suất, chip…), hay thậm chí ở cấp độ bột nghiền. Tóm lại, việc phân loại có thể được thực hiện ở tất cả các tỷ lệ vừa mô tả.
Việc tháo dỡ hoàn toàn các thiết bị, về mặt lý thuyết, là cách tiếp cận hiệu quả nhất. Do tính đa dạng và phức tạp của thiết bị khiến cho việc tự động hóa giai đoạn này rất khó khăn. Việc tháo dỡ vẫn chủ yếu được thực hiện bằng thủ công là lý do tại sao chi phí của công đoạn này thường quá cao để có thể phân loại theo cấp độ của các thành phần cơ bản.
Do đó, cách tiếp cận phổ biến nhất của các nhà tái chế như MTB, Paprec, Veolia…, trước khi xử lý hóa học, là nghiền ở quy mô của các thiết bị hay của các mô-đun, sau đó là các bước tách hạt bằng các phương pháp vật lý sử dụng sự khác biệt về mật độ hay tính chất từ (propriété magnétique). Tùy thuộc vào độ tinh khiết của bột thu được, phương pháp xử lý nhiệt hay hóa học được sử dụng để tinh chế thành phần của các sản phẩm cuối cùng.
Ở trường hợp sau cùng, phần lớn quá trình phân tách dung dịch các nguyên tố hóa học là phương pháp có tên gọi là chiết chất lỏng (extraction liquide-liquide). Trước hết, nó bao gồm việc hòa tan các kim loại hay các oxit của chúng trong một axit, ví dụ axit nitric, sau đó tạo ra một nhũ tương (émulsion). Dung dịch này được pha trộn với dung môi hữu cơ (solvant organique) như dầu hỏa (kérosène) trong một hay nhiều phân tử (mù tạt) có đặc tính thúc đẩy sự chuyển dịch vài kim loại từ axit sang dung môi. Vì giai đoạn tách này hiếm khi hoàn hảo, nên nó được lặp lại theo chuỗi để đạt được mức độ tinh khiết mong muốn. Vài chục lần hay thậm chí hàng trăm lần chiết xuất liên tiếp đôi khi cần thiết để đạt được mức độ tinh khiết mong muốn.
Tối ưu hóa chi phí và hiệu quả của các quy trình như vậy đòi hỏi phải nghiên cứu một số lượng lớn các tham số như nồng độ của các loại hóa chất, axit, nhiệt độ… để xác định sự kết hợp hài hòa nhất.
Thật không may, cách tiếp cận tổng thể này chỉ giúp thu hồi được khoảng một chục nguyên tố hóa học.
Các quy trình mới để tăng tỷ lệ tái chế
Tại phòng thí nghiệm “SCARCE”, nhiều quy trình mới nhằm tăng số lượng các nguyên tố hóa học tái chế và tăng tốc độ tái chế của chúng đang được nghiên cứu: một mặt, với các quy trình cơ học (tự động hóa tháo dỡ và phân loại), mặt khác, với các quy trình chiết xuất hóa học trong dung dịch.
Tuy nhiên, như chúng ta đã biết, thành phần hóa học của các chất thải điện tử là rất đa dạng. Sự phát triển của một quy trình chiết xuất, đối với một chế phẩm hóa học cụ thể, có thể dễ dàng mất từ 5 tới 10 năm nghiên cứu. Việc tối ưu hóa và điều chỉnh một quy trình hiện có thành một chế phẩm mới như một kim loại mới, phải mất nhiều tháng đến nhiều năm. Điều này hầu như không phù hợp với khối lượng chất thải, phương tiện và thời gian có sẵn để tái chế chất thải.
Hệ thống ống siêu nhỏ để tối ưu hóa việc tách các nguyên tố
Để giảm chi phí và thời gian phát triển các quy trình chiết xuất mới, các nhà nghiên cứu quy trình mới này đã tiểu hình hóa (miniaturiser) và tích hợp trong một thiết bị vi lỏng (dispositif microfluidique) trong đó tất cả đều được tự động hóa. Trong một thiết bị vi lỏng, đường ống nhỏ hơn một milimét (trong trường hợp này đường kính là 100 µm, tương đương với 2 sợi tóc, thậm chí nhỏ hơn). Điều này cho phép sử dụng một lượng rất nhỏ vật liệu: vài microlít dung môi và axit thay vì vài mililít, và vài milligram hợp chất hóa học thay vì vài gram. Với sự tích hợp của các phương pháp phân tích như tia X, hồng ngoại và cảm biến, sẽ giúp nghiên cứu các kết hợp khác nhau của các tham số một cách liên tục, tự động và nhanh chóng, giúp thực hiện một nghiên cứu chỉ trong vào ngày mà thông thường phải mất đến nhiều tháng.
Một lợi thế khác của thiết bị vi lỏng so với thiết bị thông thường là nó giúp chúng ta hiểu rõ hơn các hiện tượng chuyển đổi các nguyên tố hóa học tại giao diện giữa nước và dầu. Trên thực tế, chúng ta có thể kiểm soát diện tích trao đổi giữa nước và dầu bằng màng xốp, cũng như thời gian tiếp xúc giữa hai pha được đẩy vào đường ống siêu nhỏ bằng bơm tiêm. Nhờ đó, các dòng chảy vật liệu có thể được ghi nhận và tính toán chính xác.
Thu hồi đất hiếm: vật liệu quý và ít được tái chế
Cách tiếp cận này gần đây cho phép nghiên cứu thu hồi các kim loại chiến lược có thể tìm thấy trong các bộ phận của điện thoại di động như loa, ống nói, máy rung… Kim loại chiến lược này chính là đất hiếm. Các kim loại này là rất cần thiết và không thể thiếu trong các ngành công nghiệp hiện đại. Chúng được sản xuất phần lớn ở Trung Quốc và hiện nay hầu như không được tái chế (dưới 5%). Càng đáng tiếc hơn khi chi phí sản xuất đất hiếm là rất tốn kém và có thể gây ra các vấn đề về xã hội và môi trường.
Các kết quả nghiên cứu được cho thấy sự kết hợp của 2 phân tử chiết tách cụ thể giúp cho việc tách đất hiếm có hiệu quả lớn hơn gần 100 lần so với phương pháp chiết tách với các phân tử riêng rẽ. Ngoài ra, chúng tôi đã chứng minh chiết xuất hiệu quả ở nồng độ thấp hơn 10 đến 100 lần so với nồng độ sử dụng trong công nghiệp, điều này cũng gây ra ít ô nhiễm hơn. Chúng tôi cũng xác định được các tổ hợp tham số giúp phân tách riêng các loại đất hiếm hiệu quả hơn, điều mà phương pháp cổ điển thực hiện rất khó khăn trong vài giai đoạn ít ỏi. Chúng tôi hiện đang nghiên cứu sự hoán vị của các kết quả này, thu được ở quy mô rất nhỏ, với công cụ sản xuất lớn công nghiệp.
Cuối cùng, thiết bị vi lỏng tập hợp của nhiều mô-đun trong đó mỗi mô-đun có thể hữu dụng trong nhiều công dụng khác, ví dụ như mô-đun chiết xuất chất lỏng có thể hữu dụng trong quy trình chiết xuất các phân tử hữu cơ (tinh dầu), hay mô-đun quang phổ hồng ngoại (spectroscopie infrarouge) có thể theo dõi các quy trình chế biến nông sản thực phẩm hay dược phẩm. Nó cho phép xác định lượng nước không liên kết, đó là nước bao quanh những phân tử hòa tan trong đó, nhưng nó không tương tác với các phân tử hòa tan, một tham số chính cần theo dõi trong nhiều công thức của các ngành công nghiệp.
