Золото из мусора: перевернет ли новая технология переработку отходов электроники

Отходы электроники — самая быстрорастущая категория твердых отходов в мире. В 2019 году в мусор превратилось 54 млн т устройств, на 21% больше, чем пятью годами ранее. Это почти 7 кг на каждого жителя Земли. Прогнозируется, что к 2030 году этот показатель достигнет 74 млн т, что означает почти двукратный рост за 16 лет. В этом потоке мусора превалируют телефоны, ноутбуки и телевизоры, но в наше время электронику можно найти даже в кроссовках.

Больше всего электронных отходов (почти 25 млн т) в 2019 году было создано в Азии. Следом идет Америка и Европа (13 и 12 млн т, соответственно). Но электронный мусор накапливается и в Африке, и в Океании. Мобильной связью уже сейчас обеспечено куда больше людей, чем элементарной санитарией. А если электроника продолжит дешеветь, ее количество будет быстро расти даже в бедных странах.

Одна из причин быстрого накопления мусора в том, что мобильные устройства обычно служат лишь несколько лет. Потом они либо приходят в негодность, либо перестают справляться с растущими требованиями к быстродействию и памяти. А поскольку ремонт и апгрейд старого смартфона сравнимы по цене с покупкой нового, тот отправляется в мусорный бак.

Кустарная переработка

В 2019 году лишь 17% электронных отходов было собрано и переработано. Все остальное оказалось на свалках или мусоросжигательных заводах вместе с содержащимися там золотом, серебром, платиной, медью и так далее. По консервативным оценкам, суммарная стоимость металлов в электронных отходах 2019 года достигала $57 млрд. По данным МВФ, эта цифра превосходила номинальный ВВП 112 из 194 стран.

При этом в развивающихся странах процветает кустарная переработка. В погоне за драгоценными металлами кустари вручную разбирают или дробят электронику и сжигают ее. В воздух, воду, почву и организм самодеятельных переработчиков попадают такие опасные вещества как ртуть и свинец. Эти же токсичные элементы выделяются в окружающую среду из электроники, накапливающейся на свалках. А ведь зачастую такая свалка представляют собой не специально оборудованный мусорный полигон, а просто кучу мусора где-нибудь в овраге.

Почему же электронные отходы, одновременно ценные и опасные, почти не перерабатываются? Потому что такая переработка не рентабельна. Разделив $57 млрд на 54 млн т, получим, что каждый килограмм «электронных» отходов содержит ценных металлов примерно на доллар. При этом себестоимость переработки этого килограмма на высокотехнологичном оборудовании и с соблюдением всех экологических норм, скорее всего, значительно выше. Конечно, это «средняя температура по больнице»: извлекать золото из sim-карт старого образца наверняка выгоднее, чем из телевизоров. Но в целом пресловутая невидимая рука рынка явно не справляется с развитием отрасли.

Эксперты давно обсуждают, какие финансовые, юридические и организационные меры необходимы для исправления ситуации. Один из ключевых механизмов — расширенная ответственность производителя. Она обязывает производителя или импортера товаров заботиться об их утилизации либо платить экологический сбор. В том или ином виде эта концепция принята во многих странах мира, хотя и не везде она дала желаемый эффект.

Еще один и, возможно, более эффективный путь к массовой переработке отходов — новые технологии. В конце концов, коммерческие перспективы добычи грамма золота из тонны руды тоже на первый взгляд неочевидны. И этот бизнес сделали прибыльным не фискальные меры, а появившиеся в 1970-х годах технологии. Электронные отходы должны стать рудой XXI века, и здесь слово уже не за политиками, а за химиками и физиками.

Почти философский камень

Ученые из Китая и Великобритании сделали важный шаг в этом направлении. Они разработали простую и масштабируемую технологию извлечения из электронных отходов самого ценного компонента — золота.

Ключевой элемент этого ноу-хау — графен, или двумерный углерод. Соавтором новой работы выступил сам первооткрыватель графена Андрей Гейм, получивший за свое открытие Нобелевскую премию по физике 2010 года (совместно с Константином Новоселовым).

Графен представляет собой плоский углеродный лист толщиной в один атом. Столь необычная структура придает материалу уникальные свойства, востребованные во многих областях, от фильтрации воды до электроники нового поколения. Часто по краям углеродной решетки или внутрь ее встраиваются группы посторонних атомов, в том числе кислорода. Такую форму графена называют оксидом. Оксид графена уже более десяти лет выпускается коммерческими производителями.

Новая технология выглядит очень просто. Электронные отходы растворяются в кислоте, и в этот раствор погружается лист оксида графена. Без всяких дополнительных реактивов, катализаторов и затрат энергии на графене осаждается золото. После этого металл можно выделить, просто сжигая графен.

Один грамм графена позволяет извлечь из раствора, содержащего 0,1, 1 и 10 частей золота на миллион, соответственно 690, 1180 и 1850 мг золота. Заметный выход драгоценного металла наблюдался даже из раствора в 10 частей золота на триллион, что сравнимо с его содержанием в сточных водах.

Если растворить в кислоте старый процессор, в растворе окажется не только золото, но и еще 13 металлов в концентрации от одной до сотен частей на миллион. На графеновом листе оседает не только 90% содержащегося в растворе золота, но и 99% олова, 53% хрома, 52% алюминия, 30% кальция, 26% свинца, 7% никеля и 4% меди. С точки зрения добычи золота это ненужные примеси. Олово или алюминий слишком дешевы, чтобы извлечение их из микросхем и отделение от золота имело смысл. Поэтому авторы несколько усложнили технологию, изменив кислотность раствора. Исследователи опробовали  два способа это сделать. Первый позволяет вытащить из раствора 99% золота с незначительной экстракцией меди и алюминия (менее 3%). Второй извлекает 93% золота и менее 2% никеля. Остальные металлы из раствора не выделяются.

Авторы подчеркивают, что в деле извлечения золота графен превосходит другие материалы как по избирательности, так и по способности вытаскивать драгоценный металл из растворов низкой концентрации.

Обсуждая экономическое будущее своего детища, они приводят следующий эффектный аргумент. Затрачиваемая масса графена сравнима с массой извлекаемого золота. Но один грамм золота стоит около 300 юаней, а грамм графена — менее 0,5 юаня (использование в качестве мерила китайской валюты связано, видимо, с гражданством большинства авторов статьи). Впечатляющая выгода! Но, разумеется, это лукавый подсчет. Стоимость золота нужно сравнивать не с ценой графена, а с затратами на весь процесс от сбора электронного лома до утилизации отработанной кислоты. Так что норма прибыли будет менее фантастической. Тем не менее она вполне может быть достаточно большой, чтобы заинтересовать бизнес. И тогда нынешние горы электронного мусора в скором времени могут в самом буквальном смысле раствориться.