مواد و ساخت پیشرفته

بازیافت ضایعات الکترونیکی برای حفظ منابع اهمیت زیادی دارد و تمرکز آن بر استخراج فلزات ارزشمند، عناصر نادر خاکی و پلاستیک‌ها با استفاده از فناوری‌های پیشرفته و دوستدار محیط زیست است. ضایعات الکترونیکی (e-waste) به دستگاه‌های الکترونیکی دور ریخته شده مانند تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها، تلویزیون‌ها و سایر وسایل الکترونیکی مصرفی یا صنعتی اطلاق می‌شود که دیگر کارایی ندارند یا به آن‌ها نیاز نیست. این دستگاه‌ها حاوی موادی هستند که می‌توانند برای محیط زیست مضر باشند، اما بازیافت آن‌ها به کاهش آلودگی و حفظ منابع کمک می‌کند. این مقاله به بررسی مواد کلیدی استخراج‌شده از ضایعات الکترونیکی، فرآیندهای استفاده‌شده برای بازیابی آن‌ها و فناوری‌هایی که بازیافت ضایعات الکترونیکی را کارآمدتر و دوستدار محیط زیست می‌سازند، می‌پردازد.

مواد کلیدی و نحوه استخراج آن‌ها

طلا و نقره
بازیابی طلا و نقره از ضایعات الکترونیکی معمولاً از طریق لیچینگ شیمیایی انجام می‌شود، که در آن فلزات از مدارهای چاپی حل می‌شوند. معمولاً از اسیدهای قوی یا محلول‌های حاوی سیانید استفاده می‌شود، اما این روش‌ها خطرات جدی برای محیط زیست و سلامت دارند.
محققان به بررسی استفاده از تیو‌اوره به عنوان جایگزینی پایدارتر پرداخته‌اند که نرخ واکنش سریع‌تر و سمیت کمتری دارد. با این حال، مصرف زیاد آن و تجزیه سریع آن محدودیت‌هایی برای اثربخشی آن ایجاد می‌کند. برای غلبه بر این چالش‌ها، بیولیچینگ به عنوان یک راه‌حل سبزتر مورد بررسی قرار گرفته است. این فرآیند از میکروارگانیسم‌ها برای اکسید کردن ترکیبات فلزی استفاده می‌کند که منجر به حل شدن و بازیابی فلزات تا 90 درصد می‌شود.
پس از استخراج، طلا و نقره تصفیه شده و در صنایع مختلف استفاده می‌شوند. هدایت الکتریکی و مقاومت در برابر خوردگی عالی آن‌ها باعث می‌شود که این فلزات در ساخت الکترونیک ضروری باشند. همچنین، در جواهرسازی، قطعات هوافضا و دستگاه‌های پزشکی به طور گسترده‌ای استفاده می‌شوند.

مس
مس به طور گسترده‌ای در الکترونیک استفاده می‌شود و می‌توان آن را به طور کارآمد از ضایعات الکترونیکی بازیابی کرد. مدارهای چاپی (PCBs) به تنهایی حاوی حدود 322,000 تن مس در سطح جهانی هستند که آن‌ها را به یک منبع مهم برای بازیافت تبدیل می‌کند.
فرآیند بازیابی مس با خرد کردن مکانیکی آغاز می‌شود، که اجزای الکترونیکی را تجزیه کرده و مواد غنی از مس را جدا می‌کند. سپس این قطعات از طریق الکترولیز تصفیه می‌شوند، جایی که جریان الکتریکی ناخالصی‌ها را حذف کرده و مس با کیفیت بالا برای استفاده مجدد به دست می‌آید.
مس بازیافتی برای ساخت سیم‌کشی‌های الکتریکی، موتورها و دستگاه‌های الکترونیکی جدید ضروری است. بازیافت آن از ضایعات الکترونیکی به کاهش نیاز به مس استخراج‌شده جدید کمک کرده و اثرات محیطی را کاهش می‌دهد.

محققان در حال استفاده از هوش مصنوعی برای بهبود بازیابی مس از ضایعات الکترونیکی هستند. یک مطالعه اخیر به بررسی روش‌های مبتنی بر داده برای بهینه‌سازی فرآیند لیچینگ پرداخته است، که بر عوامل کلیدی مانند غلظت اسید، اکسیدکننده‌ها و زمان واکنش تمرکز دارد.
برای افزایش کارایی، محققان مدل‌های پیش‌بینی را با استفاده از سیستم استنتاج عصبی فازی تطبیقی (ANFIS) و روش‌شناسی سطح پاسخ (RSM) توسعه داده‌اند. ANFIS نتایج دقیق‌تری با نرخ خطای حدود 6.03 درصد ارائه داد و از RSM بهتر عمل کرد. این مطالعه همچنین نمودارهای تعاملی سه‌بعدی برای شناسایی شرایط بهینه فرآیند معرفی کرده است که پتانسیل اتوماسیون را بهبود می‌بخشد.
این یافته‌ها نشان می‌دهند که چگونه هوش مصنوعی می‌تواند بازیابی فلزات را بهبود بخشد و بازیافت ضایعات الکترونیکی را دقیق‌تر، مقرون به صرفه‌تر و از نظر زیست‌محیطی پایدارتر کند.

عناصر نادر خاکی
عناصر نادر خاکی (REEs) مانند نئودیمیم، دیسپروزیوم و ایتریوم در فناوری‌هایی مانند خودروهای الکتریکی، توربین‌های بادی و آهنرباهای با کارایی بالا استفاده می‌شوند. با این حال، استخراج آن‌ها از ضایعات الکترونیکی چالش‌برانگیز است زیرا این عناصر در مقادیر کمی پراکنده‌اند.
روش‌های بازیابی سنتی مانند فرآیندهای حرارتی می‌توانند عناصر نادر خاکی را جدا کنند، اما نیاز به انرژی زیاد دارند و محصولات جانبی خطرناک تولید می‌کنند. تکنیک‌های هیدرومتالورژیکی که از محلول‌های آبی برای حل و بازیابی انتخابی عناصر نادر خاکی استفاده می‌کنند، تأثیر زیست‌محیطی کمتری دارند. محققان همچنین در حال توسعه فناوری‌های حلال سبز برای بهبود کارایی در حالی که زباله‌های سمی را کاهش دهند، هستند.
یکی از رویکردهای امیدوارکننده، استخراج با استفاده از مایعات یونی (IL) است که جایگزین محیط‌های حلال سنتی است. ILهای خاص برای افزایش کارایی، انتخاب‌پذیری و قابلیت بازیافت طراحی شده‌اند. محققان همچنین در حال آزمایش ترکیب‌های مختلف IL هستند، مانند انواع بی‌عملکرد و غیر فلورینه برای بهبود جداسازی عناصر نادر خاکی از سایر مواد.

لیتیوم و کبالت
باتری‌های لیتیوم-یون که در تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها و خودروهای الکتریکی استفاده می‌شوند، حاوی فلزات ارزشمندی مانند لیتیوم و کبالت هستند. با پیش‌بینی رسیدن بازار جهانی باتری‌های لیتیوم-یون به 95 میلیارد دلار تا سال 2025، حجم ضایعات باتری‌های مصرفی تا سال 2030 ممکن است بیش از 11 میلیون تن متریک شود.
بازیابی این فلزات برای کاهش وابستگی به منابع استخراج‌شده جدید ضروری است. استخراج لیتیوم و کبالت نیازمند استفاده گسترده از انرژی و آب است که منجر به تخریب محیط زیست می‌شود. علاوه بر این، در برخی مناطق، استخراج کبالت با شرایط کاری غیرایمن، کار کودک و نقض حقوق بشر مرتبط بوده است. بازیافت این مواد به کاهش این چالش‌های اخلاقی و محیطی کمک می‌کند.
روش‌های بازیابی سنتی شامل خرد کردن باتری‌ها و استفاده از درمان‌های هیدرومتالورژیکی است، جایی که محلول‌های اسیدی لیتیوم و کبالت را حل کرده و برای تصفیه به کار می‌روند. با این حال، این فرآیندها می‌توانند انرژی‌بر و تولیدکننده زباله‌های مضر باشند.
به عنوان یک جایگزین، محققان همچنین رویکردهای سبز نوظهور مانند بیولیچینگ و بازیافت زباله برای زباله (W4W) را بررسی کرده‌اند که از اسیدهای مشتق‌شده از زباله‌های آلی به عنوان عوامل لیچینگ دوستدار محیط زیست استفاده می‌کند.

پلاستیک‌ها و فلزات
استخراج پلاستیک‌ها و فلزات از ضایعات الکترونیکی شامل چندین تکنیک است. جداسازی مکانیکی یک گام معمول در ابتدا است که مواد را بر اساس ویژگی‌های فیزیکی مانند چگالی، هدایت الکتریکی و مغناطیسی مرتب می‌کند. فلزات آهنی با استفاده از میدان‌های مغناطیسی جدا می‌شوند، در حالی که فلزات غیرآهنی از طریق چگالی در هنگام خرد کردن و غربالگری جداسازی می‌شوند. این فرآیند مواد را برای تصفیه بیشتر آماده می‌کند.
برای پلاستیک‌ها، پیروزیلیز یک روش بازیافت جایگزین است. این فرآیند تجزیه حرارتی پلاستیک‌ها را به مولکول‌های هیدروکربن کوچک‌تر در غیاب اکسیژن تجزیه می‌کند. ترکیب‌های حاصل می‌توانند به سوخت‌های مصنوعی یا مواد خام برای تولید پلاستیک‌های جدید تصفیه شوند. علاوه بر کاهش زباله پلاستیکی، این روش انرژی تولید می‌کند که از یک اقتصاد چرخشی حمایت می‌کند.
پلاستیک‌های بازیافت‌شده برای ساخت پوشش‌های الکترونیکی، مصالح ساختمانی و فیلامنت‌های چاپ سه‌بعدی استفاده می‌شوند. فلزاتی مانند آلومینیوم و فولاد در صنعت ساخت‌وساز، خودروسازی و تولید مجدد استفاده می‌شوند که نیاز به منابع اولیه را کاهش داده و انتشار کربن را کم می‌کند.

افزایش بازیافت ضایعات الکترونیکی
بسیاری از شرکت‌ها در حال ادغام شیوه‌های پایدار و فناوری‌های پیشرفته بازیافت برای مدیریت ضایعات الکترونیکی هستند. برای نمونه شرکت Sims Lifecycle Services (SLS) یک بازیگر بزرگ در زمینه از بین بردن دارایی‌های IT است که بازیافت مسئولانه محیط زیستی را برای مجموعه‌ای از دستگاه‌های الکترونیکی فراهم می‌کند. شرکت Umicore نیز یک شرکت جهانی در زمینه فناوری مواد، متخصص در بازیابی فلزات گرانبهایی مانند طلا، نقره، پالادیوم و پلاتین از ضایعات الکترونیکی است.
شرکت‌های فناوری بزرگ نیز در حال سرمایه‌گذاری در بازیافت خودکار هستند. به عنوان مثال، شرکت اپل از ربات‌ها برای استخراج مواد ارزشمند از دستگاه‌های دورریخته‌شده استفاده می‌کند. ربات Daisy این شرکت قادر به جداسازی 200 گوشی آیفون در ساعت است و اجزای کلیدی، از جمله عناصر نادر خاکی را بازیابی می‌کند.

با افزایش حجم ضایعات الکترونیکی، توسعه روش‌های بازیافت کارآمد بیش از همیشه اهمیت پیدا کرده است. پیشرفت‌های بیولیچینگ، رباتیک، بهینه‌سازی مبتنی بر هوش مصنوعی و حلال‌های سبز در حال تحول صنعت بازیافت هستند.
یادگیری ماشین و هوش مصنوعی که قبلاً در مدل‌های پیش‌بینی برای بازیابی مس استفاده شده‌اند، در حال بهبود دقت و اتوماسیون فرآیندهای بازیافت هستند.
همکاری میان دولت‌ها، شرکت‌ها و محققان برای مقیاس‌دهی این نوآوری‌ها و تضمین حفظ منابع در بلندمدت ضروری خواهد بود. با پذیرش فناوری‌های نوظهور و شیوه‌های پایدار، صنعت می‌تواند بازیافت ضایعات الکترونیکی را کارآمدتر، مقرون به صرفه‌تر و مسئولیت‌پذیرتر از نظر زیست‌محیطی کند.