זהב ירוק: הפיכת פסולת אלקטרונית לאוצר של מתכות נדירות

מדענים מפתחים תהליך בהשראת הטבע, המחזיר ביעילות אירופיום מנורות פלורסנט ישנות. הגישה עלולה להוביל למיחזור המיוחל של מתכות אדמה נדירות.

• מולקולה קטנה המשמשת באופן טבעי כאתר קשירה למתכות באנזימים מתגלה גם כשימושית להפרדת מתכות נדירות מסוימות זו מזו.
• כהוכחה לקונספט, התהליך מחלץ אירופיום ישירות מאבקת פלורסנט במנורות חיסכון באנרגיה משומשות בכמויות גבוהות בהרבה מהשיטות הקיימות.
• החוקרים עובדים כעת על הרחבת גישתם למתכות אדמה נדירות אחרות. הם נמצאים בתהליך של הקמת סטארט-אפ ליישום מיחזור חומרי הגלם הללו.

מתכות אדמה נדירות אינן נדירות כפי שהשם שלהן מרמז. עם זאת, הם הכרחיים עבור הכלכלה המודרנית. אחרי הכל, 17 המתכות הללו הן חומרי גלם חיוניים לדיגיטליזציה ולמעבר האנרגיה. הם נמצאים בסמארטפונים, במחשבים, במסכים ובסוללות – בלעדיהם שום מנוע חשמלי לא יפעל ושום טורבינת רוח לא תסתובב. מכיוון שאירופה תלויה כמעט לחלוטין ביבוא מסין, חומרי הגלם הללו נחשבים לקריטיים.

עם זאת, מתכות אדמה נדירות הן קריטיות גם בגלל מיצון. הם תמיד מופיעים בצורת תרכובת בעפרות טבעיות – אך מכיוון שהיסודות הללו דומים מאוד מבחינה כימית, קשה להפריד אותם. תהליכי הפרדה מסורתיים הם אפוא עתירי כימיקלים ואנרגיה ודורשים מספר שלבי מיצוי. הדבר הופך את המיצוי והטיהור של מתכות אלו ליקרים, גוזלים משאבים וזמן ומזיקים מאוד לסביבה.

טכניקות מיחזור חדשניות

"מתכות אדמה נדירות כמעט ואינן ממוחזרים באירופה", אומר ויקטור מוגל, פרופסור במעבדה לכימיה אנאורגנית ב-ETH ציריך. צוות חוקרים בראשות מוגל רוצה לשנות זאת. "יש צורך דחוף בשיטות בנות קיימא ובלתי מסובכות להפרדה והשבת חומרי הגלם האסטרטגיים הללו ממקורות שונים", אומר הכימאי.

במחקר שפורסם לאחרונה בכתב העת תקשורת טבעהצוות מציג שיטה פשוטה להפתיע להפרדה ושיחזור יעילה של מתכת אדמה נדירה אירופיום מתערובות מורכבות כולל מתכות אדמה נדירות אחרות.

בהשראת הטבע

מארי פרין, דוקטורנטית בקבוצתו של מוגל והמחברת הראשונה של המחקר, מסבירה: "שיטות ההפרדה הקיימות מבוססות על מאות שלבי מיצוי נוזל-נוזל ואינן יעילות – המיחזור של אירופיום עד כה לא היה מעשי". במחקר שלהם, הם מראים כיצד מגיב אנאורגני פשוט יכול לשפר משמעותית את ההפרדה. "זה מאפשר לנו להשיג אירופיום בכמה שלבים פשוטים – ובכמויות הגבוהות לפחות פי 50 מאשר בשיטות ההפרדה הקודמות", אומר פרין.

ניתן למצוא את המפתח לטכניקה זו במולקולות אנאורגניות קטנות הכוללות ארבעה אטומי גופרית סביב טונגסטן או מוליבדן: טטרתיומטאלטים. החוקרים קיבלו השראה מעולם החלבונים. טטרתיו-מטאלטים נמצאים כאתר קישור למתכות באנזימים טבעיים ומשמשים כחומרים פעילים נגד סרטן והפרעות במטבוליזם של נחושת.

לראשונה, טטרתיו-מטאלטים משמשים כעת גם כליגנדים להפרדה של מתכות אדמה נדירות. תכונות החיזור הייחודיות שלהם באות לידי ביטוי כאן, מפחיתות את הארופיום למצבו הדו ערכי ובכך מפשטות את ההפרדה ממתכות האדמה הנדירות המשולשות האחרות.

מיחזור מהיר של אירופיום מנורות פלורסנט. קרדיט: מארי פרין / ETH ציריך

יישומים מעשיים והשפעה סביבתית

"העיקרון הוא כל כך יעיל וחזק שאנחנו יכולים ליישם אותו ישירות על מנורות פלורסנט משומשות ללא שלבי הטיפול המקדים הרגילים", אומר מוגל.

פסולת אלקטרונית היא מקור חשוב אך עדיין לא מנוצל למתכות אדמה נדירות. "אם המקור הזה היה מתנקז, פסולת המנורות ששוויץ שולחת לחו"ל כיום כדי להשליכה למזבלה יכלה להיות מיחזור כאן בשוויץ במקום זאת", אומר מוגלס. בדרך זו, פסולת מנורות יכולה לשמש מכרה עירוני לאירופיום ולהפוך את שווייץ לפחות תלויה ביבוא.

"גישת המיחזור שלנו ידידותית לסביבה באופן משמעותי מכל השיטות הקונבנציונליות להפקת מתכות אדמה נדירות מעפרות מינרלים."

— ויקטור מוגל

בעבר, היורופיום שימש בעיקר כזרחן במנורות פלורסנט ובמסכים שטוחים, מה שהוביל למחירי שוק גבוהים. מכיוון שמנורות פלורסנט מתבטלות כעת בהדרגה, הביקוש ירד, כך ששיטות המיחזור הקודמות לארופיום כבר אינן כדאיות כלכלית. בכל זאת רצויות אסטרטגיות הפרדה יעילות יותר ויכולות לעזור לנצל את הכמויות העצומות של פסולת מנורות פלורסנט זולות שתכולת מתכת האדמה הנדירה שלה גבוהה פי 17 מאשר בעפרות טבעיות.

מאמצי מיחזור אסטרטגיים

זה הופך את זה לדחוף עוד יותר לשחזר מתכות נדירות בסוף חיי המוצר ולשמור אותן במחזור – אבל שיעור ההחלמה של יסודות אדמה נדירים באיחוד האירופי עדיין מתחת לאחוז אחד.

באופן עקרוני, ניתן להשתמש בכל תהליך הפרדה למתכות אדמה נדירות הן להפקה מעפרות והן להחזרה מפסולת. עם זאת, בשיטתם, החוקרים מתמקדים בכוונה במיחזור חומרי הגלם, מכיוון שיש לכך משמעות אקולוגית וכלכלית הרבה יותר. "גישת המיחזור שלנו ידידותית לסביבה באופן משמעותי מכל השיטות הקונבנציונליות להפקת מתכות אדמה נדירות מעפרות מינרלים", אומר מוגל.

מיזמים חדשים ומסחור

החוקרים רשמו פטנט על הטכנולוגיה שלהם והם נמצאים בתהליך של הקמת סטארט-אפ בשם REEcover כדי למסחר אותה בעתיד. כרגע הם עובדים על התאמת תהליך ההפרדה למתכות אדמה נדירות אחרות כמו ניאודימיום ודיספרוזיום, שנמצאות במגנטים. אם זה יצליח, מארי פרין רוצה לבנות את הסטארט-אפ אחרי הדוקטורט שלה ולבסס בפועל את מיחזור מתכות אדמה נדירות.