WEEE, Elektroniskt avfall

Återvinning av material från kasserad elektrisk och elektronisk utrustning ställer oss inför många utmaningar. Elektrisk och elektronisk utrustning innehåller många värdefulla material och även några som är miljöskadliga. De värdefulla materialen inkluderar vanliga metaller och plaster men också metaller vars tillgänglighet bedöms som kritisk.

De mest värdefulla elementen är sådana som bara finns i låga halter i mineral eller vars tillgänglighet begränsas allvarligt av andra orsaker. Denna grupp innehåller t.ex. guld och platinagruppens metaller. Några av de element som har listats som kritiska är också nödvändiga i moderna teknologier. Ett exempel är de så kallade sällsynta jordartsmetallerna (Lantaniderna) som behövs i utvecklingen av miljövänliga energisystem såsom i de Neodymiumbaserade permanentmagneter som används i motorer i elfordonens motorer och i vindkraftverkens turbiner. 


En annan utmaning ligger i användningen av kobolt och andra metaller som används i många typer av batterier. Även om kobolt kan anses vara en basmetall, d.v.s. en ganska vanlig metall, så måste den, liksom andra metaller som ska användas i batterier eller andra elektroniktillämpningar, ha en mycket hög renhet. Ett annat liknande exempel är koppar vars elektriska konduktivitet är mycket känslig för föroreningar i metallen. För att vårt moderna järnvägssystem och andra teknologiska system ska kunna försörjas med elektricitet krävs det stora mängder koppar av hör renhet eftersom större delen av strömöverföringen sker med hjälp av kopparledningar.
Även i återvinningen av basmetaller krävs det att föroreningar kan avlägsnas. Ett exempel är att en liten mängd koppar i återvunnet stål ger en märkbar försämring av de mekaniska egenskaperna hos stålet. Under återvinningen av elektronikskrot, såsom motorer, transformatorer, elektromagneter och transduktorer kan koppar relativt lätt komma med i separationen av stål. Inom IMR har vi kompetens inom pyrometallurgi och hydrometallurgi som gör det möjligt för oss att utveckla metoder för att undvika sådana problem.


IMR-gruppens forskning inom återvinningsmetoder för material i elektronikskrot täcker de material som nämns ovan men också många fler. Hydrometallurgiska metoder ger möjlighet att utvinna viktiga metaller med hög renhet från blandning av material. Utveckling av hydrometallurgiska metoder ä ren central del i vår forskning. Sådana metoder baseras på lakning med t.ex. en syralösning följt av extraktion av specifika element med användning av molekyler som designats speciellt för den tillämpningen, s.k. extraktanter. Vår forskning täcker hela kedjan från syntes av extratanter med önskade egenskaper till teoretisk och praktisk optimering av industriella separationsprocesser med kommersiellt tillgängliga kemikalier.


IMR-gruppen har också erfarenhet inom området pyrometallurgiska processer och hur dessa kan appliceras inom återvinningsteknologier. Högtemperaturprocesser av olika slag kan användas antingen som enda återvinningsteknologi eller som förbehandlingsmetod före en hydrometallurgisk process. Forskningen kring högtemperaturmetoder fokuserar på utveckling av direkt metallåtervinning från olika avfall, på förbehandlingsmetoder och på förbränning/pyrolys för borttagande av organiska ämnen från avfallsströmmar.
Vår forskning inkluderar också utveckling av reagens, förhållanden och metoder för framtida materialåtervinningsmetoder. Ett exempel är utveckling av metoder för selektiv lakning och separation med hjälp av superkritisk CO2. IMR-gruppen är unik i Norden med att använda denna metod för upplösning och återvinning av batterier och elektronikskrot.


Vi arbetar med att skapa en djup förståelse av hur atomer och molekyler i materialen som sådana och i varje steg i de processer som behövs i återvinningen. Vi arbetar också med att skapa en bättre förståelse för mekanismer och funktion hos nya, ”gröna” lösningsmedel (joniska lösningsmedel och eutektiska lösningsmedel) för att kunna utnyttja de möjligheter de erbjuder i nya materialåtervinningsprocesser med lägre koldioxidavtryck än de som används i dag.
Ett ytterligare område för forskning och utveckling i IMR-gruppen är att producera nya tekniska material direkt från återvunna materialfraktioner. En sådan metod är spraypyrolys där ett upplöst material används för att producera små partiklar av en metall eller en metallförening som sedan har en teknisk tillämpning.
Exempel på forskning kring speciella material i elektronikskrot:


Permanentmagneter
Permanentmagneter baserade på de sällsynta jordartsmetallerna Neodym, Praseodym med flera, används i olika applikationer i modern teknik, som i hårddiskar, i motorer i elektriska fordon och i vindkraftsturbinernas generatorer. När det gäller återvinningen av magneter har hydrometallurgiska metoder (lakning och separation via vätskeextraktion) visats vara effektiva för att göra det möjligt att återvinna dessa metaller i tillräckligt rena flöden för att de ska kunna återanvändas. 


Forskningsresultaten har också inverkan på områden utanför återvinning av elektronikskrot. Det arbete som gjordes av Mikhail Tyumentsev gav nya insikter i hur separation av s.k. f-block-element (lantanider och aktinider) i vätskeextraktion med den nya, gröna, europeiska malonamid-processen fungerar.  Den europeiska processen DIAMEX konkurrerar med den amerikanska processen TRUEX och den kinesiska TRPO processen. Tyumentsevs resultat visar dock att det avfall som återstår från DIAMEX processen ger en mindre miljöpåverkan än avfall från de två andra processerna.  


Resultaten har publicerats i två doktorsavhandlingar och ett antal vetenskapliga artiklar:

Avhandlingar;
Marino Gergorics avhandling
Mikhail Tyumentsevs avhandling

Artiklar;

Leaching and recovery of rare-earth elements from neodymium magnet waste using organic acids 
Via Solvent Extraction from a Neodymium Magnet Leachate and the Effects of Diluents

Separation of Heavy Rare-Earth Elements from Light Rare-Earth Elements Characterization and Leaching of Neodymium Magnet Waste and Solvent Extraction of the Rare-Earth Elements Using TODGA 

Reclaiming rare earth elements from end-of-life products


Solceller
Man måste ofta lägga ett metalliskt ledningsnät på ytan av solcellsmoduler för att minska deras serieresistans. Silver (Ag) läggs som ett nät på ytan av olika kommersiella solceller, oftast genom screentryck med en silverpasta. Kostnaden för silvret är en väsentlig del av modulens kostnad. Möjligheten att ersätta silver med andra metaller undersöks, men det finns många utmaningar kvar att lösa innan man kan ersatt silver med en mera vanlig metall. Därför är tillgången på silver, och reserverna av silver som råvara, en viktig faktor som kan hindra vidare etablering av solel-anläggningar. Återvinning av silver från använda solceller och från produktionsspill är en nödvändig väg för att säkerställa att solel kan bli en viktig del av energisystemet. IMÅ-gruppen har tagit fram en metod som gör det möjligt att återvinna silver från utjänta moduler och återskapa de silverpartiklar som används i pastan. Arbetet har finansierats bland annat av SIP Re:Source.
IMR gruppen fortsätter arbetet med återvinningsmetoder för olika typer av solpaneler i samarbete med Prof. Meng Tao vid School of Electrical, Computer and Energy Engineering, Arizona State University.

Bildskärmar och lysrörslampor
LCD-skärmar innehåller indium i den transparenta elektrodfilmen på LCD glaset och sällsynta jordartsmetaller ibland annat lyspulver i fluorescenslampor i skärmen. Båda materialen är värdefulla och återvinningsmetoder för dess behövs.  I ett doktorandarbete studerades alternativa återvinningsmetoder baserade på hydrometallurgi. En process för återvinning av indium och sällsynta jordartsmetaller utarbetades i laboratorieskala och publicerades i en doktorsavhandling.

Lysrörslampor har blivit mer och mer vanliga på grund av att de är energisnåla och effektiva. Tekniken baserar sig på användning av sällsynta jordartsmetaller, dvs yttrium, lantan, cerium, europium, gadolinium och terbium. I vanliga lysrörslampor finns en blandning av metaller och metalloxider som ger röd, grön och blå färg till ljuset. Återvinningsmetoder för dessa metaller från lampskrot har behandlats i en doktorsavhandling. 


Magnetokaloriska material
Den traditionella tekniken för kylning baseras på reversibel förångning och kondensering av en gas. Denna teknik har visat sig orsaka problem med negativ påverkan på säkerhet, miljö och hälsa. Nästa generations kylmedier var freonerna och de användes som kylmedier tills det upptäcktes att de orsakar allvarlig nedbrytning av ozonlagret. Den senaste generationens freoner, t.ex. freon-134a (1,2,2,2-tetrafluoroetan) har använts i olika tillämpningar men nu fasas även de ut eftersom de agerar som växthusgaser. Därför behövs det helt nya tekniker för värmetransport.
Ett sådant spår är magnetisk kylning som baserar sig på den magnetokaloriska effekten, vilken ger en bättre kyleffekt, ger reducerade koldioxidutsläpp och kan göras mera kompakt. Magnetokaloriska material är under utveckling och de baseras bland annat på sällsynta jordartsmetaller. Eftersom dessa metaller till hör de material som bedöms vara kritiska vad gäller tillgång i framtiden, behöver återvinningsmetoder för magnetokaloriska material utvecklas. I IMÅ-gruppen har utvecklat hydrometallurgiska metoder för återvinning av komponenterna i ett magnetokaloriskt material, en legering baserat på cerium, järn, lantan, mangan och kisel studerats och ett förslag till process har tagits fram. Resultaten är publicerade i Journal of Cleaner Production.

I gruppen pågår också arbete med att syntetisera nya magnetokaloriska material från återvunna sällsynta jordartsmetaller från uttjänta NiMH batterier (finansierat av Formas).

Development of energy saving materials from alternative sources

Utveckling av energisnåla material från sekundära källor


Professor  Christian Ekberg

Professor  Britt-Marie Steenari

Biträdande Professor Teodora Retegan

Docent Mark Foreman

Publicerad: fr 24 jan 2020.