US Defensie geeft subsidie voor recyclingstudie van metalen

Recycling Magazine Benelux
heeft een goede digitale en gratis nieuwsbrief van de branche.Ik lees die met enige regelmaat, omdat mijns inziens de energietransitie niet mogelijk is zonder een sterke recyclingsector. Dat o.a. vanwege de vele kritische chemische elementen die ervoor nodig zijn, vaak metalen. Zie https://www.bjmgerard.nl/metalen-nodig-voor-energietransitie-_-recycling-nodig-maar-winning-voorlopig-ook-nog-en-over-lithiumaccus-en-afvalbranden/ . Ik vind dus dat de recyclingsector steun, bescherming en ontwikkeling nodig heeft, en tegelijk dat er veel aan de milieu-inbedding richting omgeving gedaan moet worden (zie eerdere verhalen over de Eindhovense asfaltcentrale en Mirec).

De Brainportregio zou er core business van moeten maken.

DoD en DARPA in het afvalwezen
Uit een kort artikel in genoemde nieuwsbrief blijkt dat ik in ‘goed’ gezelschap ben van het Ministerie van Defensie (DoD) van de VS. Hun researchorganisatie DARPA heeft de Universiteit van West-Virginia (WVU) een kwart miljoen gegeven, zodat medewerkers Musho en Sabolsky onderzoek kunnen gaan doen hoe waardevolle metalen kunnen worden teruggewonnen uit elektronica-afval (e-waste). Specifiek moest WVU zeven metalen gaan terugwinnen, met name indium, gallium en tantalium (de ‘tan’ van tantalium is de ‘tan’ van ‘coltan’, dat geassocieerd wordt met verwerpelijke kinderarbeid in Congo.). Deze metalen zijn inderdaad essentieel voor allerlei vormen van elektronica. Zie https://wvutoday.wvu.edu/stories/2022/09/29/wvu-engineers-bring-new-life-to-electronics-recycling-address-supply-chain-shortfalls-affecting-national-defense.
De VS vinden de afhankelijkheid van vreemde machten (lees China) een strategische zwakte waar men van af wil. Dat wil de EU overigens ook. 
Op zich is dat een verstandige wens.

 DARPA wil dat Musho en Sabolsky hun constructie verpakken in een handzaam verplaatsbare container, zodat die bijvoorbeeld op een marineschip geplaatst kan worden, waardoor men ter plekke e-waste kan ontdoen van waardevolle bestanddelen. Eventueel zou het ontwerp zelfs, wilde gedachte, in de ruimte ingezet moeten kunnen worden om junk satellieten te slopen.

Nog sterker, DARPA heeft een veel groter programma ‘Recycling at the point of disposal’ ( https://www.darpa.mil//news-events/2022-06-10 ) waaruit blijkt dat er meer universiteiten meedoen. WVU staat er nog niet bij (zal nog wel komen).
Rice University heeft een eigen programma (daar staat DARPA niet genoemd) om Zeldzame Aarde-metalen te recyclen. ( https://www.azom.com/news.aspx?newsID=58199  ) Vroeger mijnde de VS die zelf, maar de concentraties in erts zijn laag en er kwam zoveel natuurlijke radioactiviteit met het afvalwater mee dat dat onoplosbaar gelazer gaf. Van ellende is de binnenlandse winning gestopt, waarna China acuut de wereldprijs vertienvoudigde. Aldus Rice University.

E-waste is sowieso een probleem
Tot voor kort bestond er geen ideale verwerking voor e-waste. Je kunt het gangbaar verhitten, waarna er hier en daar wat smelt, het kost veel stroom en pas op voor de dampen. Je kunt het ook met agressieve chemicaliën te lijf gaan, waarna een deel traag oplost en je met een hoop afvalwater en -slurry zit.
In praktijk komt er van de 40 millioen ton e-waste die jaarlijks op de wereld geproduceerd wordt, 80% op de stort. Dat leidt ertoe dat op sommige storten de concentratie aan waardevolle metalen hoger is dan in de natuurlijke ertsen van die materialen.
Wat nog erger is, is dat er ook een heleboel niet-waardevolle metalen in e-waste zitten die wel oplosbaar en erg giftig zijn, en dus in het milieu kunnen komen, zoals cadmium en lood.

Kortom, ik  vind e-waste om meerdere redenen een probleem dat acuut opgelost moet worden. Zelfs als het Amerikaande DoD het daarin met mij eens is.

Flash Joule Heating
Het nieuwe verwerkingsverhaal heet ultrafast Flash Joule Heating FJH).

Zoals wel vaker in wetenschap en techniek, is de techniek voor probleem A ontwikkeld, en bleek hij vervolgens erg goed van pas te komen voor een heleboel problemen B.

Probleem A is de productie van grafeen ( https://en.wikipedia.org/wiki/Graphene ). Dat is een heel apart materiaal met veel nuttige toepassingen, maar dat voert hier te ver. In zijn eenvoudigste vorm is het een soort kippengaas met op elk knooppunt een koolstofatoom.
Daar kun je van alles mee, en men zocht goede en snelle productiemethoden en zo kwam men achter dat de Flash Joule Heating (FJH, de uitleg volgt hieronder) een methode was om  uit ongeveer elk organisch vertrekpunt grafeen te maken.

Dat was in 2019. De tradities in het werkveld zijn dus kort en alle literatuur die de techniek overplaatst in de recyclingsector is van 2021 en 2022.
Zo  beschouwd beschrijft het Recycling Magazine dus niet de eerste stap in een proces, maar de meest recente. Ik ben dus aan de achterkant begonnen met lezen, maar dat geeft niet.

Flash Joule Heating – het artikel in Nature
Nature Communications van 04 oktober 2021 geeft onder de titel ‘Urban mining by flash Joule heating’ een degelijke beschrijving  van het procedé ( https://www.nature.com/articles/s41467-021-26038-9 , open access).
Onderstaande afbeeldingen komen uit  dit Nature-artikel. Dat artikel praat op de laboratoriumschaal. Het proces is opschaalbaar, maar dat is in het artikel niet gebeurd. Moet wel, want je praat over miljoenen tonnen.

FJH is herhaalbaar en combineerbaar met andere bewerkingen. In het eerste plaatje hieronder alleen de werking van FJH sec.

Je hebt een stevige buis. Die vul je met een mengsel van fijngemalen Printed Circuit Board (PCB), zeg maar printplaat, en fijngemalen Carbon Black (dat is zoiets als roet of gemalen grafiet – het zorgt voor goede elektrische geleiding). Het hoopje zwart poeder in de inzet in de afbeelding midden boven bestaat uit dit mengsel. Je zet het desgewenst een beetje onder druk.
Daarna jaag je er een lompe stroomstoot doorheen (vandaar ‘Joule’), waardoor het mengsel binnen 50 milliseconde (ms, vandaar ‘fast’ of ‘ultrafast’ Flash) boven de 3300°C komt en soms zelfs tot 3700°C (ongeveer de oppervlaktetemperatuur van een kleine ster).
Dit vraagt niet eens heel veel energie: een piekvermogen in de orde van grootte van 10kW maal een tijd van 10ms en wat rondom de opstelling heen, geeft per sessie ergens rond de 200J (voor deze kleine proefopstelling). Dat is per eenheid twee ordes van grootte minder dan bij de tot nu toe gangbare recycleprocedé’s.

De metalen verdampen momentaan en  schieten als damp door een verbindingsstuk en komen in een ruimte, die gekoeld wordt met vloeibare stikstof, en condenseren. Bijna 40% van de zilver (Ag) condenseert tegen de wand van de koude ruimte.
Rh is Rhdium, Pd is Palladium, Au is goud – alle zeer waardevol.
De gemalen printplaat, voor zover geen metaal, ontleedt en verkoolt.

Dit werkt nog niet optimaal.
Omdat verbindingen tussen metalen en fluor, chloor en jood beter verdampen, worden er in een volgende stap aan het poedermengsel stoffen toegevoegd die chloor etc bevatten. In beginsel kan dat keukenzout zijn (in onderstaand plaatje rechtsboven), maar je kunt met het mengsel spelen. Het werkt ook met gemalen PVC (ben je daar ook weer van af).

In deze afbeelding horen de roze staafjes bij de linker verticale as (met het verwijderingsrendement) en de groene staafjes bij de rechteras (hoeveel keer zo goed dat is met chloor etc als zonder chloor etc).
De donkere foto’s zijn opnamen met de elektronenmicroscoop van het op de koude wand gecondenseerde metaalpoeder.

Tenslotte kun je het verkoolde prutje, dat in de buis achterblijft, ook nog behandelen met zoutzuur en salpeterzuur (beide 1Mol, wat voor industriële begrippen, zeker in deze sector, mild is). Het verhitte poeder staat zijn metalen makkelijker af dan het niet-verhitte poeder.

Ook niet onbelangrijk is dat behalve de gewenste, ook de ongewenste metalen verdampen, zoals Cadmium (Cd), lood (Pb), Arseen (As), Chroom (Cr)  en kwik (Hg). Daardoor is het FJH-behandelde gemalen printplaatpoeder (hieronder c)  een stuk minder giftig dan het niet-FJH behandelde printplaatpoeder (hieronder b). Chroom gaat bijvoorbeeld van onbehandeld 20ppm naar behandeld 12ppm, dus een removal efficiency van 40%.
Kwik duikt na één behandeling onder de WHO-richtlijn voor landbouwbodems en cadmium na drie behandelingen. Niet dat men het in landbouwbodems zou moeten willen dumpen, maar het maakt wel de stort een stuk veiliger.

 Multi-inzetbaar
In het bovenstaande werd de techniek gericht op e-waste. Daar hoeft hij niet toe beperkt te blijven. Rice University heeft de techniek ook losgelaten op de giftige slurrie, die overblijft na de winning van aluminium uit bauxiet en op vliegas uit kolencentrales.

Nog even WVU
Ook meneer Sabolsky van West Virginia University heeft geoefend met FJH op vliegas van kolen. Mogelijk heeft dat hem geschikt gemaakt in de ogen van DoD.
Terugredenerend worden hem en meneer Musho, binnen de ruimere context, eigenlijk twee dingen gevraagd:

• Metalen terugwinnen die nog niet in eerdere verhalen genoemd zijn (gallium, indium en tantalium)
• Opschalen tot soepel hanteerbare modules die in een marineschip kunnen of in de ISS

---

Update dd 27 dec 2023

In de Scientific American (die ik met vertraging lees) van januari 2023 is een bijlage Nature Outlook (betaald door Google, maar inhoudelijk geheel onafhankelijk verzorgd door Nature) over de circulaire economie. Daarin vele interessante artikelen.
Een van deze artikelen gaat over de recycling van e-waste. Het artikel is te vinden op https://www.nature.com/articles/d41586-022-03647-y . Het zit achter de betaalmuur, maar als je het ervoor over hebt kun je het bestellen, of eventueel ook als je toegang hebt via een instituut.