Los desechos electrónicos podrían convertirse en una 'mina de oro' para elementos de tierras raras

Su teléfono inteligente comienza a funcionar perfectamente embalado en una caja bien diseñada. Lo más probable es que termine sus días de una manera más ignominiosa.

Suponiendo que no termine traqueteando en un cajón de chatarra, lo más probable es que vaya al mismo vertedero que el resto de los desechos domésticos, donde filtrará lentamente sustancias químicas tóxicas en el suelo y el agua. O peor aún, podría ser enviado a otro país, donde los trabajadores de bajos ingresos desarmarán manualmente el teléfono para recuperar algo de valor y quemarán o enterrarán el resto, poniendo su salud, y la de su comunidad en general, en riesgo en el proceso. . Mientras tanto, los mineros continúan saqueando la Tierra en busca de metales y minerales para satisfacer nuestra hambre insaciable de nuevos dispositivos.

El problema que plantean los desechos electrónicos, o e-waste, solo se está haciendo más grande. “Es el flujo de desechos de más rápido crecimiento”, dice Pablo Dias, ingeniero especializado en gestión de desechos electrónicos en la Universidad de Nueva Gales del Sur en Sydney, Australia. Según Global E-waste Monitor, un proyecto respaldado por el Instituto de Capacitación e Investigación de las Naciones Unidas, las personas eliminaron 53,6 millones de toneladas métricas de desechos electrónicos en 2019, una cantidad que se espera que aumente en casi un 40 % para 2030.¹.

Oladele Ogunseitan, investigadora de salud pública de la Universidad de California, Irvine, cree que las cosas están empezando a cambiar. “Estamos haciendo suficiente ruido para que los fabricantes ya no puedan ignorarlo”, dice. Y hay amplias oportunidades para circularizar la industria electrónica. Los metales preciosos y escasos que contienen estos dispositivos se pueden reutilizar casi indefinidamente, y las tecnologías emergentes que facilitan su recuperación podrían reducir drásticamente la necesidad de minería. El progreso paralelo en las placas de circuitos reciclables y biodegradables podría eliminar los ingredientes más tóxicos en la electrónica y permitir a los consumidores desechar los dispositivos obsoletos sin sentirse culpables.

“Esta es una oportunidad para dejar de pensar en ello como un desperdicio”, dice Clara Santato, química especializada en materiales electroactivos en Polytechnique Montréal en Canadá. Pero hacer que la electrónica sea más sostenible también requerirá una evolución más radical de la industria en su conjunto, así como de los consumidores que anhelan sus productos.

Barrido debajo de la alfombra

Los desechos electrónicos son una categoría que comprende una diversa gama de equipos eléctricos, para los cuales el material puede variar tanto como su forma y función. Una estimación sugiere que se pueden encontrar hasta 69 elementos químicos diferentes en los desechos electrónicos.¹. “Observamos 10 placas de circuitos impresos de teléfonos inteligentes diferentes y descubrimos que la variación en el contenido del material era bastante significativa”, dice Jeff Kettle, ingeniero electrónico de la Universidad de Glasgow, Reino Unido.

Los bloques de construcción estándar, como el silicio, el hierro y el cobre, generalmente se unen con elementos más exóticos. Estos incluyen metales preciosos altamente conductivos como el platino y el oro, así como elementos de tierras raras como el neodimio, que poseen propiedades magnéticas y eléctricas únicas. Aunque no son geológicamente raros, estos elementos son logísticamente difíciles de obtener y se obtienen principalmente de unos pocos países, sobre todo de China. Algunos dispositivos también contienen metales pesados ​​como plomo y cadmio que amenazan seriamente la salud humana y ambiental.

Los desechos electrónicos contienen estos elementos difíciles de encontrar en abundancia. Si los materiales útiles pueden separarse eficientemente de los que no lo son, los desechos podrían convertirse en una mina de oro, tanto en sentido literal como figurado. “Cuando encuentras tierras raras en minerales, vienen en partes por millón; cuando las tienes en imanes, vienen en porcentajes”, dice Ikenna Nlebedim, científica de materiales del Laboratorio Nacional Ames en Iowa. La calidad de estos elementos recuperados también está asegurada: ya se han considerado aptos para su uso en electrónica. Del mismo modo, las estimaciones sugieren que los metales preciosos podrían ser hasta 50 veces más abundantes en los desechos electrónicos que en los minerales extraídos.

El Global E-waste Monitor informa que, a partir de 2019, solo alrededor del 17% de los desechos electrónicos del mundo se gestionaban adecuadamente para su reciclaje en los países que los generan.¹ (ver 'El vertedero digital'). El resto es casi imposible de explicar y presumiblemente termina en los vertederos locales, desperdiciando materiales valiosos e infligiendo un daño ambiental duradero. Pero una fracción considerable de este material se descarga en países de Asia, África y América Latina. Es difícil obtener números sólidos, pero un estudio de monitoreo de 2016 realizado por Basel Action Network, un organismo de control ambiental en Seattle, Washington, encontró que hasta el 40 % de los desechos electrónicos que se cree que están programados para reciclar desde los Estados Unidos podrían exportarse².

Ogunseitan ve varias razones por las que el reciclaje no ha despegado en los Estados Unidos. “Económicamente, es difícil obtener una gran ganancia, pero también tenemos muchas leyes ambientales que impiden el ingreso de fábricas que se desmantelarían y derretirían fácilmente”, dice. Muchas regiones también carecen de sistemas de recolección efectivos para recuperar los desechos electrónicos domésticos y comerciales. Y así, estos desechos terminan en Ghana, Vietnam, Brasil y otros países, donde las redes de recicladores informales eliminan manualmente los cargamentos de productos electrónicos desechados. La exportación de desechos electrónicos está fuertemente restringida por la Convención de Basilea, un tratado de las Naciones Unidas que entró en vigencia en 1992. Pero Estados Unidos nunca ha ratificado la convención. También existen lagunas importantes; por ejemplo, algunos exportadores tergiversan los desechos electrónicos como donaciones.

El reciclaje informal se ha convertido en una fuente importante, aunque peligrosa, de sustento para algunas personas en estos países. “La gente extrae manualmente las cosas que son más valiosas, como placas de circuito impreso, discos duros y memoria, y las envía de vuelta a los países de altos ingresos para su posterior procesamiento”, dice Dias. El resto se quema o simplemente se amontona en el suelo, creando una catástrofe continua para la salud pública. Un estudio de 2012 reveló que los habitantes de una comunidad rural de procesamiento de desechos electrónicos en China tenían un 60 % más de probabilidades de desarrollar cáncer de pulmón que las personas que vivían en la cercana ciudad principal de Guangzhou.³. Esto se debió a la inhalación de subproductos de desechos tóxicos, que se liberan al aire después de incinerar los desechos electrónicos.

Varios países han impulsado con éxito el cambio: entre 2018 y 2021, China se movió para rechazar todos los desechos sólidos importados después de décadas de daños. Pero en última instancia, esto da como resultado que los desechos se dirijan a otra parte, y el alcance del problema sigue siendo desalentador.

Maduro para la recuperación

Una práctica conocida como minería urbana ofrece una solución para mejorar la gestión de los desechos electrónicos e incentivar a los países a retener y procesar sus sobras en lugar de enterrarlas, quemarlas o exportarlas. Esto involucra procesos químicos o físicos para separar metales preciosos o elementos de tierras raras presentes en los desechos electrónicos de materiales que son tóxicos o de poco valor.

Dos enfoques predominan actualmente en la minería urbana. Pirometalurgia, en la que el material de desecho preprocesado se calienta a temperaturas extremadamente altas, a menudo superiores a 1000 °C, para quemar plásticos y otros materiales no deseados y producir una fracción mixta de metales preciosos fundidos que luego se pueden purificar. “La desventaja es que estos enfoques consumen mucha energía”, dice Nlebedim. Como alternativa, algunas instalaciones utilizan ácidos fuertes para disolver los metales presentes en los desechos electrónicos. Aunque consume menos energía, Nlebedim señala que este método hidrometalúrgico tiene su propia huella ambiental negativa, ya que produce lodos tóxicos cargados de ácido y mucha agua residual.

Las operaciones de minería urbana están actualmente activas en un número relativamente pequeño de instalaciones en todo el mundo. Pero los márgenes de beneficio pueden ser escasos, lo que ha limitado el crecimiento de este sector. “Requieren volúmenes muy grandes para poder ser rentables, por lo que es difícil que otro jugador pequeño entre y compita con ellos”, dice Dias. Los costos asociados con la minería urbana, como el preprocesamiento, la purificación de metales y la gestión de desechos, se suman rápidamente, lo que podría cambiar la ecuación de costos a favor de la minería tradicional. “No puedes decirle a alguien, 'El mío es reciclado, paga $10 más por kilogramo para comprarlo'”, dice Nlebedim. Afortunadamente, los métodos ahora en desarrollo, incluidos algunos que están a punto de comercializarse, podrían inclinar la balanza a favor del reciclaje.

Por ejemplo, James Tour, un químico sintético de la Universidad Rice en Houston, Texas, aplicó una técnica conocida como calentamiento instantáneo Joule para el procesamiento rápido y económico de desechos electrónicos. El calentamiento Flash Joule somete a los materiales a una intensa explosión de energía, llevándolos a temperaturas que vaporizan los metales para que solo quede carbón en la cámara. Pero a diferencia de la pirometalurgia, el calentamiento es increíblemente breve, por lo general unos pocos cientos de milisegundos. Los vapores metálicos resultantes pueden luego extraerse al vacío y condensarse por enfriamiento. El calentamiento Flash Joule tiene un claro atractivo económico: se puede realizar a un costo de aproximadamente US$12 por tonelada de desechos, con un uso mínimo de energía y agua requerido.

En una demostración inicial, este método recuperó más del 80 % de los metales preciosos, como el paladio y la plata, que estaban presentes en una muestra de desechos electrónicos.⁴, al mismo tiempo que permite un fácil aislamiento de compuestos tóxicos como el mercurio y el plomo. “El resto está lo suficientemente limpio para suelo agrícola, incluso para los estándares de California”, dice Tour. Él y sus colegas ahora están tratando de otorgar licencias de la tecnología a empresas para su uso en la minería urbana de desechos electrónicos.

Nlebedim y sus colegas han desarrollado un enfoque alternativo libre de ácidos para la hidrometalurgia para recuperar elementos de tierras raras en los imanes permanentes que se encuentran comúnmente en los discos duros y los motores.⁵. Los investigadores identificaron condiciones de reacción en las que los valiosos componentes magnéticos se disuelven selectivamente a pH neutro mientras se dejan otros materiales intactos, lo que significa que se requiere un procesamiento mínimo antes del reciclaje. Los elementos de tierras raras disueltos se pueden purificar posteriormente de la solución, produciendo material de calidad suficiente para su reutilización en electrónica. Esta tecnología está siendo comercializada por una empresa de fabricación llamada TdVib con sede en Boone, Iowa, que está en camino de tener su primera planta piloto completamente operativa para fines de 2022. “Actualmente estamos procesando lotes de 800 kilogramos a la vez y estaremos escalando en los próximos meses a lotes de alrededor de 8,000 kilogramos”, dijo el director ejecutivo de TdVib, Daniel Bina, a fines de septiembre.

No pierda

No todo se puede reciclar fácilmente, pero existen oportunidades para crear "electrónica ecológica" que se puede producir y desechar de una manera más respetuosa con el medio ambiente. Rodrigo Martins, científico de materiales de la Universidad Nueva de Lisboa, confía en que muchas de las funciones realizadas por los dispositivos modernos basados ​​en silicio podrían replicarse algún día con alternativas ecológicas, eliminando finalmente la necesidad de metales escasos y plásticos no biodegradables. o fabricación intensiva en energía.

Las placas de circuitos convencionales están construidas con fibra de vidrio, que no es biodegradable y, por lo general, está mezclada con compuestos ignífugos potencialmente tóxicos. El grupo de Martins está trabajando en tableros basados ​​en papel que podrían ofrecer una alternativa más ecológica. En 2011, Martins y su colaboradora y esposa, Elvira Fortunato, describieron un dispositivo semiconductor complementario de óxido de metal (CMOS) basado en papel.⁶—un componente central en los circuitos integrados modernos. Los materiales conductores de este dispositivo se basaron en óxido de zinc en lugar de silicio, que es el que normalmente se usa, y el uso de esta sustancia u otros óxidos metálicos podría reducir en gran medida el costo y la huella de gases de efecto invernadero asociados con la fabricación.

El equipo de Martins ha seguido desarrollando técnicas para la impresión eficiente y reproducible de dispositivos basados ​​en papel y está explorando el uso de materiales alternativos, incluidas combinaciones de grafeno con metales comunes como el bismuto y el molibdeno. Señala que a medida que mejora su rendimiento, los dispositivos se vuelven más pequeños, lo que les confiere una ventaja adicional. “Significa que la cantidad de materia prima que estoy consumiendo es, con mucho, menor”, ​​dice Martins. “Y puedo usar materiales que son abundantes y no tóxicos”.

Otros grupos están explorando una variedad de componentes alternativos de placas de circuito biodegradables. Por ejemplo, Ogunseitan y su antiguo colaborador Johnny Lincoln, quien fundó Axiom Materials, un fabricante de materiales compuestos en Santa Ana, California, están investigando la viabilidad comercial de las placas de circuitos a base de lino y un epoxi derivado del aceite de linaza, que demostrado por primera vez en 2008⁷. Y el equipo de Santato está analizando la posibilidad de reemplazar los semiconductores a base de silicio con melanina, un pigmento de origen natural que es capaz de transportar electrones de manera eficiente. Este año, el grupo de Santato ha demostrado que las películas a base de melanina casi pueden igualar el rendimiento de los semiconductores orgánicos más establecidos.⁸. Y aunque su fuente actual de melanina es la tinta de sepia, Santato señala que podría obtener la sustancia de los residuos de alimentos.

En julio se presentó formalmente la iniciativa Green Energy-Optimized Printed Transient Integrated Circuits (GEOPIC) del Reino Unido, un programa dirigido por Ravinder Dahiya en la Universidad de Glasgow, del cual Kettle también es investigador, que reúne a académicos, gobiernos e industria. especialistas para que la producción de placas de circuito sea más sostenible. “GEOPIC se trata de desarrollar circuitos integrados biodegradables, sustratos biodegradables, interconexiones biodegradables, etc.”, dice Kettle. Esto no abordará todos los aspectos del problema de la sostenibilidad, pero podría conducir a procesos de fabricación más ecológicos y mucho menos desechos electrónicos a largo plazo.

En qué medida estos componentes biodegradables podrían anular el statu quo de la placa de circuito en el corto plazo sigue siendo una pregunta abierta. “Tienes que comprometer el rendimiento”, dice Kettle. Los sustratos flexibles y compostables, como el lino o el papel, son inherentemente más susceptibles al daño por la humedad o el calor, y los dispositivos que los utilizan deben diseñarse teniendo en cuenta esta limitación. Santato cree que los científicos de materiales están muy lejos de encontrar reemplazos ecológicos para muchos metales escasos. “Por el momento”, dice, “no se puede alcanzar la conductividad del oro, el platino o el paladio con conductores orgánicos o a base de carbono”.

Sin embargo, la electrónica reciclable o compostable podría volverse invaluable en dispositivos destinados a un uso a corto plazo, o en dispositivos de propósito limitado, como dispositivos portátiles o sensores ambientales que no tienen que cumplir con los mismos estándares de rendimiento rigurosos que los procesadores que se encuentran en los teléfonos inteligentes. Desde la perspectiva de Martins, estos dispositivos electrónicos podrían ser útiles en contextos como el control de la calidad del agua o la seguridad de los alimentos, o la fabricación de pantallas de bajo costo, sin aumentar significativamente la carga de desechos electrónicos del planeta.

Creando un cambio cultural

Muchos investigadores que trabajan en el problema de los desechos electrónicos se han sorprendido gratamente al encontrar socios entusiastas en el sector comercial. Por ejemplo, Ogunseitan está realizando una investigación financiada por Microsoft, y Tour dice que está en contacto regular con empresas que buscan minimizar el impacto asociado con mantener actualizada su infraestructura de TI. “Las granjas de servidores están cambiando cada tres años y obtienes montañas de placas de circuito impreso”, dice Tour. Estas instalaciones “no saben qué hacer con todos estos residuos tóxicos”, explica.

Pero probablemente serán necesarias medidas más agresivas, incluidas regulaciones más estrictas. Dias cree que las prohibiciones estrictas sobre el depósito en vertederos de desechos electrónicos son un primer paso crucial. “El mayor competidor para el reciclaje es el vertedero”, dice. Con esta opción fuera de la mesa, la competencia pasará a ofrecer el servicio de reciclaje más rentable. Dias enfatiza además que este paso también debe ir acompañado de un control más estricto y la aplicación de las restricciones a la exportación para evitar un aumento masivo de desechos electrónicos de los países de altos ingresos a las costas de los países de bajos ingresos.

Los fabricantes también deben seguir prácticas que promuevan la circularidad. “Tiene que haber una política muy clara para el 'fin de la vida', donde el productor recupera el producto”, dice Santato. Algunos fabricantes de dispositivos ya lo están haciendo; por ejemplo, el fabricante de teléfonos inteligentes con sede en Ámsterdam Fairphone informó haber reciclado tantos teléfonos en 2021 como los que vendió a los consumidores. Los dispositivos electrónicos modulares diseñados para un fácil desmontaje y reparación también podrían incentivar el reciclaje al hacer que sea más fácil y económico desarmar, o reparar, dispositivos rotos u obsoletos.

Pero los consumidores también deberán desempeñar su papel, especialmente en los países de altos ingresos, donde es más habitual reemplazar los dispositivos electrónicos de alta gama, como los teléfonos inteligentes, cada pocos años. “A menudo pensamos en el reciclaje como una bala de plata, no lo es”, dice Dias. “Reducir debería ser el objetivo principal”. La obsolescencia programada por parte de los fabricantes es parte del problema, pero resolver este problema también será una cuestión de educación pública y políticas que fomenten el civismo y la conciencia ambiental. “Podemos tener un dispositivo increíble que dure cuatro o cinco años y aún así tener una buena vida”, dice Dias. “No vamos a tener que renunciar a tanto como creemos que lo haremos”.

Este artículo es parte de Nature Outlook: economía circularun suplemento editorialmente independiente producido con el apoyo financiero de Google. Acerca de este contenido.

Referencias

1. Forti, V., Baldé, CP, Kuehr, R. & Bel, G. El Monitor Global de Residuos Electrónicos 2020 (UNU/UNITAR, UIT e ISWA, 2020).

2. Hopson, E. y Puckett, J. Reciclaje fraudulento: E-Dumping en Asia por recicladores de EE. UU. (Red de Acción de Basilea, 2016).

3. Wang, j. et al. Reinar. ciencia Tecnología 469745–9752 (2012).

4. Deng, B. et al. Naturaleza Comun. 125794 (2021).

5. Prodius, D., Gandha, K., Mudring, A.-V. y Nlebedim, IC ACS Química Sostenible. Ing. 81455–1463 (2020).

6. Martín, R. et al. Adv. Mate. 234491–4496 (2011).

7. Lincoln, JD, Shapiro, AA, Earthman, JC, Saphores, J.-DM y Ogunseitan, OA Trans. IEEE. Electrón. Paquete Fabricación 31211–220 (2008).

8. camús, a. et al. proc. Academia Nacional. ciencia EE.UU 119e2200058119 (2022).