电子垃圾可能成为稀土元素的“金矿”

您的智能手机在设计精美的包装盒中开始其生命。 很可能它将以一种更不光彩的方式结束其生命。

假设它最终没有在杂物抽屉里嘎嘎作响，那么它很可能会和您的其他家庭垃圾一起被送到同一个垃圾填埋场，在那里它会慢慢地将有毒化学物质渗入土壤和水中。 更糟糕的是，它可能会被运往另一个国家，那里的低收入工人会手动拆开手机，以回收任何有价值的东西，并将剩余的东西烧掉或掩埋，从而使他们自己以及更广泛社区的健康面临风险。 与此同时，矿工们继续掠夺地球上的金属和矿物，以满足我们对新电子产品永不满足的渴望。

电子垃圾，或简称电子废物，所造成的问题只会越来越大。“这是增长最快的废物流，”澳大利亚悉尼新南威尔士大学专门从事电子废物管理的工程师巴勃罗·迪亚斯说。联合国训练研究所支持的项目“全球电子废物监测”显示，2019年人们处理了5360万吨电子垃圾，预计到2030年这一数量将增加近40%¹。

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加州大学欧文分校的公共卫生研究员奥拉德勒·奥贡塞坦认为，情况正在开始发生变化。“我们发出的声音足够大，制造商们再也无法忽视它了，”他说。电子产业有充足的机会实现循环化。这些设备中包含的珍贵且稀有的金属几乎可以无限期地重复使用，而新兴技术可以使其更容易回收，从而大大减少对采矿的需求。可回收和可生物降解电路板的并行进展可以消除电子产品中更多有毒成分，并使消费者可以无负罪感地丢弃报废的设备。

“这是一个停止将其视为废物的机会，”加拿大蒙特利尔工学院专门研究电活性材料的化学家克拉拉·桑塔托说。但是，要使电子产品更具可持续性，还需要整个行业以及渴望其产品的消费者进行更彻底的变革。

地毯下的垃圾

电子垃圾是一个类别，包含各种电气设备，其材料可能与其形式和功能一样多种多样。一项估计表明，在电子垃圾中可能发现多达69种不同的化学元素¹。“我们研究了10种不同的智能手机印刷电路板，发现材料含量的差异非常显著，”英国格拉斯哥大学的电子工程师杰夫·凯特尔说。

诸如硅、铁和铜等标准构建模块通常与更奇特的元素结合在一起。这些元素包括高导电性的贵金属，如铂和金，以及稀土元素，如钕，它们具有独特的磁性和电气特性。尽管这些元素在地质上并不稀有，但实际上很难获得，主要来自少数几个国家，最值得注意的是中国。一些设备还含有重金属，如铅和镉，这些重金属严重威胁人类和环境健康。

电子垃圾中富含这些难以找到的元素。如果能够有效地将有用的材料与无用的材料分离，那么废物就可能成为一座金矿，无论是字面意义上还是比喻意义上。“当你在矿石中发现稀土元素时，它们的含量是百万分之几，而当你在磁铁中发现它们时，它们的含量是百分之几，”爱荷华州艾姆斯国家实验室的材料科学家伊肯纳·恩莱贝迪姆说。这些回收元素的质量也得到保证：它们已经被认为适合在电子产品中使用。同样，估计表明，电子垃圾中的贵金属含量可能比矿石中的贵金属含量高出50倍。

“全球电子废物监测”报告称，截至2019年，在全球产生的电子垃圾中，只有约17%得到了妥善管理以进行回收¹ （见“数字垃圾场”）。其余的几乎无法追踪，据推测最终会被送到当地的垃圾填埋场，浪费宝贵的材料并造成持久的环境破坏。但这其中很大一部分材料被转移到亚洲、非洲和拉丁美洲的国家。可靠的数据很难获得，但巴塞尔行动网络（一个位于华盛顿州西雅图的环境监督机构）在2016年进行的一项监测研究发现，美国声称要回收的电子垃圾中，有多达40%可能被出口²。

奥贡塞坦认为，回收在美国没有兴起有几个原因。“从经济角度来看，很难获得巨额利润，而且我们也有许多环境法律阻止了那些可以轻松拆卸和冶炼的工厂，”他说。许多地区也缺乏有效的收集系统来回收家庭和企业电子垃圾。因此，这些废物最终被运到加纳、越南、巴西和其他国家，那里的非正规回收商手动剥离成船的废弃电子产品。联合国于1992年生效的《巴塞尔公约》严格限制电子垃圾出口。但美国从未批准该公约。还存在重大漏洞，例如，一些出口商将电子垃圾谎报为捐赠。

非正规回收已成为这些国家一些人民的重要但危险的生计来源。“人们手动取出更有价值的东西，如印刷电路板、硬盘驱动器和内存，并将这些东西送回高收入国家进行进一步处理，”迪亚斯说。其余的则被焚烧或只是堆放在地上，造成持续的公共卫生灾难。2012年的一项研究表明，中国农村电子垃圾处理社区的居民患肺癌的可能性比附近主要城市广州的居民高出60%³。这是由于吸入了有毒废物副产品，这些副产品是在焚烧电子垃圾后释放到空气中的。

一些国家已成功推动变革——在经历了数十年的破坏之后，中国在2018年至2021年间采取行动，拒绝所有进口固体废物。但这最终导致废物被转移到其他地方，问题的范围仍然令人望而生畏。

成熟的回收技术

一种称为城市采矿的做法为改善电子废物管理和激励各国保留和处理其剩余物而不是掩埋、焚烧或出口提供了一种解决方案。这涉及到化学或物理过程，将电子废物中存在的贵金属或稀土元素与有毒或价值低的材料分离。

目前城市采矿主要有两种方法。火法冶金，其中预处理的废料被加热到极高的温度（通常超过1000°C），以烧掉塑料和其他不需要的材料，并产生可随后提纯的熔融贵金属混合物。“缺点是这些方法能源密集型，”恩莱贝迪姆说。作为替代方案，一些工厂使用强酸溶解电子废物中存在的金属。恩莱贝迪姆指出，虽然水法冶金的能源密集度较低，但它也有其自身的环境负面影响，会产生含酸的有毒污泥和大量废水。

城市采矿作业目前在全球相对少数的工厂中进行。但利润率可能很低，这限制了这个行业的发展。“它们需要非常大的规模才能盈利，因此其他小玩家很难进入并与它们竞争，”迪亚斯说。与城市采矿相关的成本（如预处理、金属提纯和废物管理）加起来很快，可能会使成本等式重新向传统采矿倾斜。“你不能告诉别人，‘我的矿是回收的，每公斤多付10美元购买它’，”恩莱贝迪姆说。幸运的是，现在正在开发的方法——包括一些即将商业化的方法——可能会使平衡向回收倾斜。

例如，德克萨斯州休斯顿莱斯大学的合成化学家詹姆斯·图尔应用了一种称为闪速焦耳加热的技术，用于快速、低成本的电子废物处理。闪速焦耳加热使材料受到强烈的能量冲击，将其加热到金属汽化的温度，从而在腔室中只留下碳。但与火法冶金不同，加热时间非常短暂——通常为几百毫秒。然后可以在真空下提取由此产生的金属蒸汽，并通过冷却使其凝结。闪速焦耳加热具有明显的经济吸引力：它可以在大约每吨废物12美元的成本下进行，并且只需要最少的能源和水。

在最初的演示中，这种方法回收了电子废物样品中存在的80%以上的贵金属，如钯和银⁴，同时还可以轻松隔离有毒化合物，如汞和铅。“即使按照加州标准，剩余物也足够清洁，可以用于农业土壤，”图尔说。他和他的同事们现在正试图将这项技术授权给公司，用于电子废物的城市采矿。

恩莱贝迪姆及其同事开发了一种替代的、无酸的水法冶金方法，用于回收硬盘驱动器和电机中常见的永磁体中的稀土元素⁵。研究人员确定了在近中性pH条件下选择性溶解有价值的磁性成分，同时保持其他材料完好无损的反应条件，这意味着在回收之前只需要最少的处理。溶解的稀土元素随后可以从溶液中提纯，从而产生质量足以在电子产品中重复使用的材料。这项技术正在由一家名为TdVib的制造公司进行商业化，该公司总部位于爱荷华州布恩，其首个试验工厂有望在2022年底全面投入运营。“我们目前正在运行每次800公斤的批次，并将在未来几个月内扩大到约8000公斤的批次，”TdVib首席执行官丹尼尔·比纳在9月下旬表示。

物尽其用

并非所有东西都可以轻易回收，但有机会创造“绿色电子产品”，以更环保的方式生产和处置。里斯本新大学的材料科学家罗德里戈·马丁斯确信，现代硅基设备执行的许多功能有一天可以用环保的替代品来复制，最终消除对稀有金属、不可生物降解塑料或能源密集型制造的需求。

传统的电路板是建立在玻璃纤维上的，玻璃纤维是不可生物降解的，通常掺杂有潜在的有毒阻燃化合物。马丁斯的小组正在研究纸基电路板，这种电路板可以提供更环保的替代品。2011年，马丁斯和他的合作者兼妻子埃尔维拉·福图纳托描述了一种纸基互补金属氧化物半导体（CMOS）器件⁶——现代集成电路中的核心组件。该器件中的导电材料是基于氧化锌而不是通常使用的硅，而使用这种物质或其他金属氧化物可以大大降低与制造相关的成本和温室气体足迹。

马丁斯的团队继续开发用于高效且可重复地印刷纸基器件的技术，并正在探索替代材料的使用，包括石墨烯与铋和钼等常见金属的组合。他指出，随着器件性能的提高，器件变得更小，这带来了额外的优势。“这意味着我消耗的原材料量要少得多，”马丁斯说。“而且我可以使用储量丰富且无毒的材料。”

其他小组正在探索各种替代的可生物降解电路板组件。例如，奥贡塞坦和他的长期合作者约翰尼·林肯（他是加利福尼亚州圣安娜市复合材料制造商Axiom Materials的创始人）正在调查基于亚麻和亚麻籽油衍生的环氧树脂的电路板的商业可行性，他们于2008年首次展示了这种电路板⁷。桑塔托的团队正在研究用黑色素代替硅基半导体的可能性，黑色素是一种天然衍生的色素，能够有效地传输电子。今年，桑塔托的小组已经证明，基于黑色素的薄膜几乎可以与更成熟的有机半导体的性能相媲美⁸。虽然他们目前的黑色素来源是墨鱼墨汁，但桑塔托指出，她可以从食物垃圾中获得这种物质。

今年7月，英国绿色能源优化印刷瞬态集成电路（GEOPIC）计划正式启动，该计划由格拉斯哥大学的拉温德·达希亚领导，凯特尔也是该计划的调查员之一，该计划汇集了学术界、政府和行业专家，以使电路板生产更具可持续性。“GEOPIC的目标是开发可生物降解的集成电路、可生物降解的基板、可生物降解的互连等等，”凯特尔说。这不会解决可持续性问题的方方面面，但从长远来看，可能会带来更绿色的制造工艺和更少的电子垃圾。

这些可生物降解的组件在短期内可能在多大程度上颠覆电路板的现状仍然是一个悬而未决的问题。“你确实必须在性能上做出妥协，”凯特尔说。亚麻或纸张等柔性和可堆肥基材本质上更容易受到水分或热量的损坏，使用它们的设备在设计时必须考虑到这种限制。桑塔托认为，材料科学家离找到许多稀有金属的环保替代品还有很长的路要走。“目前，”她说，“你无法用有机或碳基导体达到黄金、铂金或钯金的导电性。”

然而，可回收或可堆肥的电子产品可能在旨在短期使用的设备中，或在窄用途设备（如可穿戴设备或环境传感器）中变得非常宝贵，这些设备不必满足与智能手机处理器相同的严格性能标准。从马丁斯的角度来看，这种电子产品可以在监测水质或食品安全，或制造低成本显示器等环境中发挥作用，而不会对地球的电子垃圾负担造成有意义的增加。

创造文化转变

许多研究电子垃圾问题的研究人员惊喜地发现，商业领域有热情的合作伙伴。例如，奥贡塞坦正在进行由微软资助的研究，图尔说他经常与希望最大限度地减少与保持其IT基础设施更新相关的影响的公司联系。“服务器机房每三年更换一次，你会得到成堆的印刷电路板，”图尔说。这些设施“不知道如何处理所有这些有毒废物”，他解释说。

但可能需要采取更积极的措施，包括更严格的法规。迪亚斯认为，严格禁止将电子垃圾填埋是至关重要的第一步。“回收的最大竞争对手是填埋，”他说。如果取消这种选择，竞争将转向提供最具成本效益的回收服务。迪亚斯进一步强调，这一步骤还必须与更严格的出口限制监测和执行相结合，以防止高收入国家的电子垃圾大量涌入低收入国家的海岸。

制造商也应采取促进循环的做法。“需要制定非常明确的‘报废’政策，即生产者回收产品，”桑塔托说。一些设备制造商已经在这样做了；例如，总部位于阿姆斯特丹的智能手机制造商Fairphone报告称，他们在2021年回收的手机数量与他们向消费者销售的手机数量一样多。旨在易于拆卸和维修的模块化电子设备也可以通过使其更容易且更便宜地分解或维修损坏或过时的设备来激励回收。

但消费者也需要发挥自己的作用——尤其是在高收入国家，每隔几年更换智能手机等高端电子设备已成为常态。“我们经常认为回收是万能药——但事实并非如此，”迪亚斯说。“减少应该是首要目标。”制造商的计划报废是问题的一部分，但解决这个问题也将是公众教育和促进公民意识和环境意识的政策问题。“我们可以拥有可以使用四五年且仍然可以过上美好生活的优秀设备，”迪亚斯说。“我们不必像我们想象的那样放弃那么多。”

本文是《自然展望：循环经济》的一部分，这是一份编辑上独立的增刊，由谷歌提供财政支持制作。关于此内容。

参考文献

1. Forti, V., Baldé, C. P., Kuehr, R. & Bel, G. The Global E-waste Monitor 2020 (UNU/UNITAR, ITU & ISWA, 2020).

2. Hopson, E. & Puckett, J. Scam Recycling: e-Dumping on Asia by US Recyclers (巴塞尔行动网络, 2016).

3. Wang, J. et al. Environ. Sci. Technol. 46, 9745–9752 (2012).

4. Deng, B. et al. Nature Commun. 12, 5794 (2021).

5. Prodius, D., Gandha, K., Mudring, A.-V. & Nlebedim, I. C. ACS Sustainable Chem. Eng. 8, 1455–1463 (2020).

6. Martins, R. et al. Adv. Mater. 23, 4491–4496 (2011).

7. Lincoln, J. D., Shapiro, A. A., Earthman, J. C., Saphores, J.-D. M. & Ogunseitan, O. A. IEEE Trans. Electron. Packag. Manuf. 31, 211–220 (2008).

8. Camus, A. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 119, e2200058119 (2022).