Краткое описание: Если технология будет внедрена в промышленности, переработка электроники станет намного более экологичной.

Исследователи из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне разработали инновационный способ извлечения золота из старой электроники с использованием электричества вместо традиционных химических реагентов. Учёные создали специальную молекулу, которая проводит электрический заряд, захватывает нужные металлы из раствора и при необходимости их высвобождает. Лабораторные испытания продемонстрировали, что данная технология позволяет извлечь 89% золота из растворов, полученных при переработке электронных отходов. При этом расход вспомогательных химических веществ удалось сократить в 10-100 раз.

Научная работа опубликована в журнале ACS Energy Letters. Исследователи Дебора Шмитт, Адерийика Агуда и профессор Сяо Су сосредоточили внимание на одном из наиболее химически затратных процессов переработки металлов - жидкостно-жидкостной экстракции. При использовании этого метода раствор, содержащий металлы, смешивают с другой, несмешивающейся жидкостью, применяя специальные молекулы-экстрагенты, которые связывают конкретные ионы и переносят их между фазами. Обычно для высвобождения металла и восстановления экстрагента в исходное состояние требуются дополнительные кислоты, основания, соли и прочие химические вещества.

Группа учёных под руководством Су решила перенести часть химической работы на электроды. Новый экстрагент создан на основе ферроцена - железосодержащего соединения, идеально подходящего для обратимых окислительно-восстановительных процессов. В молекулу встроили постоянный ионный заряд. Благодаря этому один экстрагент выполняет множество функций одновременно: распознаёт и связывает необходимые ионы металла, остаётся в органической фазе и обеспечивает достаточную электропроводность среды. Дополнительный электролит для передачи тока больше не требуется.

Процесс работает следующим образом. Электрический потенциал переводит молекулу в состояние, при котором экстрагент захватывает металл и переносит его из исходного раствора в органическую жидкость. Затем потенциал изменяется, молекула переходит в другое окислительно-восстановительное состояние и освобождает захваченный металл. Экстрагент может быть использован повторно для обработки следующей порции раствора. Электрический ток заменил химический реагент, который ранее вызывал переход молекулы из одного состояния в другое.

При тестировании на реальных растворах, полученных из переработки электронных отходов, система извлекла 89% золота. Авторы указывают коэффициент разделения, равный 35, что означает, что разработанная молекула явно отдаёт предпочтение золоту перед другими компонентами раствора. Проведённый технико-экономический анализ показал возможность снизить как первоначальные затраты на оборудование, так и текущие расходы в сравнении с более сложными электрохимическими системами, требующими дополнительных реагентов и электролитов. Конкретные преимущества промышленной установки должны быть подтверждены при увеличении масштаба производства.

Данное исследование является продолжением более ранней работы той же команды, опубликованной в Nature Chemical Engineering в 2024 году. Тогда учёные представили методологию электрохимической жидкостно-жидкостной экстракции e-LLE, способную непрерывно извлекать драгоценные металлы из сложных составов. Первая версия показала более 90% атомной эффективности, селективность более чем 100 к 1 и позволяла увеличивать концентрацию золота и металлов платиновой группы в 16 раз. Метод апробировали на электронном мусоре, отработанных автомобильных катализаторах и продуктах переработки минеральных руд.

Однако предыдущая система имела свои ограничения. Электричество управляло экстракцией косвенно, что требовало использования дополнительных химических посредников для передачи электронов и других компонентов электролита. В новой версии постоянный заряд встроили непосредственно в молекулу экстрагента, поэтому исследователи называют этот подход прямой электрификацией жидкостно-жидкостной экстракции. Отказ от вспомогательной химии позволил снизить потребление реагентов на один-два порядка величины.

Золото было выбрано главным образом в качестве удобного примера для демонстрации принципа. Авторы полагают, что тот же подход может быть адаптирован для других ценных элементов путём изменения части молекулы, отвечающей за распознавание конкретных ионов. К числу возможных применений исследователи относят извлечение платины, палладия и других платиноидных металлов из старых автомобильных катализаторов, а также выделение критически важных элементов из остатков горнодобывающих операций и прочих сложных отходов. Электрохимическое оборудование при таком подходе может оставаться практически неизменным, а экстрагент будет подбираться в зависимости от конкретного металла.

Следует отметить, что технология не делает переработку электроники полностью безхимической. Перед экстракцией металлы всё ещё должны быть переведены из твёрдого электронного лома в раствор, а процесс растворения (выщелачивания) сам по себе требует использования химических веществ. Новая молекула снижает расход реагентов именно на последующей стадии разделения и очистки растворённых металлов. Поэтому показатель 10-100-кратного снижения расхода химикатов нельзя механически применять ко всему циклу переработки электронных отходов.

Следующим важным вопросом является масштабируемость. На данный момент исследователи доказали концепцию в лабораторных условиях, однако промышленные установки будут нуждаться в долговечных экстрагентах, стабильной работе с загрязнёнными потоками, эффективным разделением жидких фаз и приемлемой стоимостью самих молекул. Команда уже работает над новыми вариантами экстрагентов и планирует использовать компьютерное моделирование и искусственный интеллект для ускорения поиска молекул для различных металлов. Исследование было профинансировано Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США.

Главное значение разработки заключается не столько в достижении рекорда по извлечению золота, сколько в новой архитектуре самого процесса. Вместо установки, где каждый этап поддерживается очередным химическим веществом, исследователи предлагают молекулу, управление которой осуществляется электрическим потенциалом. При успешном масштабировании этого подхода промышленные предприятия смогут изменять направление реакции путём переключения напряжения и использовать единую электрохимическую платформу для извлечения различных металлов, меняя в основном молекулярный «захват».