Modern yaşamlarımız nadir toprak elementlerine bağlı ve yakında bir gün artan talebi karşılamaya yetecek kadar olmayabiliriz.
Özel özelliklerinden dolayı, bu 17 metalik element bilgisayar ekranlarında, cep telefonlarında ve diğer elektronik cihazlarda, kompakt flüoresan lambalarda, tıbbi görüntüleme makinelerinde, lazerlerde, fiber optiklerde, pigmentlerde, parlatma tozlarında, endüstriyel katalizörlerde çok önemli bileşenlerdir – liste uzayıp gider. (SN Çevrimiçi: 1/16/23). Özellikle nadir toprak elementleri, dünyayı düşük veya sıfır karbonlu bir geleceğe taşımak için gereken elektrikli araçlardaki ve yenilenebilir enerji teknolojilerindeki yüksek güçlü mıknatısların ve şarj edilebilir pillerin önemli bir parçasıdır.
2021’de dünya, 280.000 metrik ton nadir toprak madenciliği yaptı – kabaca 1950’lerin ortalarında çıkarılanın 32 katı. Ve talep sadece artacak. Uzmanlar, 2040 yılına kadar, bugün olduğundan yedi kat daha fazla nadir toprak elementine ihtiyacımız olacağını tahmin ediyor.
Bu iştahı tatmin etmek kolay olmayacak. Nadir toprak elementleri konsantre tortularda bulunmaz. Madenciler çok büyük miktarlarda cevheri kazmalı, nadir toprak elementlerini yoğunlaştırmak için fiziksel ve kimyasal işlemlere tabi tutmalı ve sonra onları ayırmalı. Dönüşüm, enerji yoğun ve kirlidir, toksik kimyasallar gerektirir ve genellikle güvenli bir şekilde bertaraf edilmesi gereken az miktarda radyoaktif atık üretir. Diğer bir endişe de erişim: Çin, hem madencilik hem de işleme konusunda neredeyse tekele sahip; Amerika Birleşik Devletleri’nde yalnızca bir aktif mayına sahiptir (SN Online: 1/1/23).
Nadir toprak elementlerinin yaptığı işlerin çoğu için iyi bir ikame yoktur. Bu nedenle, gelecekteki talebi karşılamaya yardımcı olmak ve arzı kimin kontrol ettiğini çeşitlendirmek – ve hatta belki de nadir toprak kazanımını “daha çevreci” hale getirmek için araştırmacılar geleneksel madenciliğe alternatifler arıyorlar.
Teklifler, kömür atıklarından metallerin çıkarılmasından, ayın madenciliği gibi gerçekten var olmayan fikirlere kadar her şeyi içerir. Ancak ani bir etki yaratma olasılığı en yüksek olan yaklaşım geri dönüşümdür. Iowa’daki Ames Ulusal Laboratuvarı’nda ve Enerji Bakanlığı’nın Kritik Malzemeler Enstitüsü’nde malzeme bilimcisi olan Ikenna Nlebedim, “Geri dönüşüm çok önemli ve merkezi bir rol oynayacak” diyor. “Bu, kritik malzeme zorluğundan geri dönüşümle çıkacağımız anlamına gelmiyor.”
Yine de, örneğin, nadir toprak mıknatısları pazarında, bazı tahminlere göre, bundan yaklaşık 10 yıl sonra geri dönüşüm, nadir toprak elementlerine olan talebin dörtte birini karşılayabilir. “Bu çok büyük” diyor.
Ancak eski bir dizüstü bilgisayardaki nadir toprak elementlerinin, boş bir soda kutusundaki alüminyum kadar düzenli bir şekilde geri dönüştürülebilmesinden önce, aşılması gereken teknolojik, ekonomik ve lojistik engeller vardır.
Nadir toprak elementlerini çıkarmak neden bu kadar zor?
Geri dönüşüm, daha nadir toprak elementleri elde etmenin bariz bir yolu gibi görünüyor. Amerika Birleşik Devletleri ve Avrupa’da demir, bakır, alüminyum, nikel ve kalay gibi diğer metallerin yüzde 15 ila 70’inin geri dönüştürülmesi standart bir uygulamadır. Las Vegas Nevada Üniversitesi’nde ekonomik jeolog olan Simon Jowitt, bugün eski ürünlerdeki nadir toprak elementlerinin yalnızca yaklaşık yüzde 1’inin geri dönüştürüldüğünü söylüyor.
“Bakır kablolama, daha fazla bakır kablolamaya geri dönüştürülebilir. Çelik sadece daha fazla çeliğe geri dönüştürülebilir” diyor. Ancak pek çok nadir toprak ürünü “doğası gereği pek geri dönüştürülemez”.
Nadir toprak elementleri genellikle dokunmatik ekranlarda ve benzer ürünlerde diğer metallerle karıştırılarak çıkarılmasını zorlaştırır. Bazı yönlerden, nadir elementlerin atılan maddelerden geri dönüştürülmesi, onları cevherden çıkarma ve birbirinden ayırma zorluğuna benzer. Geleneksel nadir toprak geri dönüşüm yöntemleri ayrıca hidroklorik asit gibi tehlikeli kimyasallar ve çok fazla ısı ve dolayısıyla çok fazla enerji gerektirir. Çevresel ayak izinin yanı sıra, nadir toprak elementlerinin küçük verimi göz önüne alındığında, geri kazanım maliyeti çabaya değmeyebilir. Örneğin, bir sabit disk sürücüsü yalnızca birkaç gram içerebilir; bazı ürünler sadece miligram sunar.
Ancak kimyagerler ve malzeme bilimcileri, daha akıllı geri dönüşüm yaklaşımları geliştirmeye çalışıyorlar. Teknikleri mikropları çalıştırıyor, geleneksel yöntemlerin asitlerini atıyor veya ekstraksiyon ve ayırmayı baypas etmeye çalışıyor.
Mikrobiyal ortaklar, nadir toprak elementlerinin geri dönüştürülmesine yardımcı olabilir
Bir yaklaşım mikroskobik ortaklara dayanır. Gluconobacter bakterileri doğal olarak, petrol arıtmada kullanılan kullanılmış katalizörlerden veya aydınlatmada kullanılan flüoresan fosforlardan lantan ve seryum gibi nadir toprakları çekebilen organik asitler üretir. Idaho Falls’daki Idaho Ulusal Laboratuvarı’nda biyojeokimyacı olan Yoshiko Fujita, bakteriyel asitlerin hidroklorik asit veya diğer geleneksel metal liç asitlerinden daha az çevreye zararlı olduğunu söylüyor. Fujita, Kritik Malzemeler Enstitüsü’nde yeniden kullanım ve geri dönüşüm araştırmalarına liderlik ediyor. “Doğal olarak da bozulabilirler” diyor.
Deneylerde, bakteri asitleri, kullanılmış katalizörler ve fosforlardan nadir toprak elementlerinin yalnızca yaklaşık dörtte biri ila yarısını geri kazanabilir. Hidroklorik asit çok daha iyisini yapabilir – bazı durumlarda yüzde 99’a kadar çıkar. Ancak Fujita ve meslektaşlarının 2019’da ACS Sustainable Chemistry & Engineering’de bildirdiğine göre biyo-temelli liç hala karlı olabilir.
Yılda 19.000 metrik ton kullanılmış katalizörü geri dönüştüren varsayımsal bir tesiste ekip, yıllık gelirin yaklaşık 1,75 milyon dolar olduğunu tahmin etti. Ancak asidi üreten bakterileri yerinde beslemek büyük bir masraf. Bakterilerin rafine şekerle beslendiği bir senaryoda, nadir toprak elementlerini üretmenin toplam maliyeti yılda kabaca 1,6 milyon dolardır ve geriye sadece 150.000 dolar kar kalır. Bununla birlikte, şekerden mısır saplarına, kabuklarına ve diğer hasat artıklarına geçiş, maliyetleri yaklaşık 500.000 $ azaltarak karı yaklaşık 650.000 $’a yükseltir.
Deneysel bir geri dönüşüm yaklaşımı, atık ürünlerden nadir toprak elementleri çıkarmak için bakteriler tarafından yapılan organik asitleri kullanır. Idaho Ulusal Laboratuvarı’ndaki bu reaktör, bu tür bir geri dönüşüm için bir organik asit karışımı hazırlıyor.Idaho Ulusal Laboratuvarı
Diğer mikroplar da nadir toprak elementlerinin çıkarılmasına ve daha da ileri götürülmesine yardımcı olabilir. Birkaç yıl önce araştırmacılar, nadir toprak elementlerini metabolize eden bazı bakterilerin, tercihen bu metalleri tutan bir protein ürettiklerini keşfettiler. Bu protein, lanmodulin, nadir toprak mıknatıslarının iki bileşeni olan disprosiyumdan neodimyum gibi nadir toprak elementlerini birbirinden ayırabilir. Lanmodulin bazlı bir sistem, bu tür bir ayırmada tipik olarak kullanılan birçok kimyasal çözücüye olan ihtiyacı ortadan kaldırabilir. Ve geride kalan atık – protein – biyolojik olarak parçalanabilir olacaktır. Ancak sistemin ticari ölçekte başarılı olup olmayacağı bilinmiyor.
Atılan mıknatıslardan nadir toprak elementleri nasıl çekilir?
Halihazırda ticarileştirilmekte olan başka bir yaklaşım, asitleri atlar ve değerli bir hedef olan atılmış mıknatıslardan nadir toprak elementlerini çekmek için bakır tuzları kullanır. Neodimyum-demir-bor mıknatısları, ağırlıkça yaklaşık yüzde 30 oranında nadir topraktır ve dünyadaki metallerin en büyük tek uygulamasıdır. Bir projeksiyon, mıknatıslardaki neodimyumun yalnızca ABD sabit disk sürücülerinden geri kazanılmasının, on yıl sona ermeden Çin dışındaki dünya talebinin yaklaşık yüzde 5’ini karşılayabileceğini gösteriyor.
Nlebedim, mıknatıs içeren parçalanmış elektronik atıklardan nadir toprak elementlerini süzmek için bakır tuzları kullanan bir teknik geliştiren bir ekibe liderlik etti. E-atıkları oda sıcaklığında bir bakır tuzu çözeltisine batırmak, mıknatıslardaki nadir toprakları çözer. Diğer metaller kendi geri dönüşümleri için çıkarılabilir ve bakır daha fazla tuz çözeltisi yapmak için yeniden kullanılabilir. Daha sonra, nadir toprak elementleri katılaştırılır ve ek kimyasalların ve ısıtmanın yardımıyla, nadir toprak oksitleri adı verilen toz minerallere dönüştürülür. Nlebedim’in ekibi, mıknatıs üretiminden arta kalan ve genellikle çöpe giden malzeme üzerinde de kullanılan işlemin, nadir toprak elementlerinin yüzde 90 ila 98’ini geri kazanabildiğini ve malzemenin yeni mıknatıslar yapmak için yeterince saf olduğunu gösterdi.
En iyi senaryoda, 100 ton artık mıknatıs malzemesini geri dönüştürmek için bu yöntemi kullanmak, 32 ton nadir toprak oksidi üretebilir ve yöntemin ekonomik bir analizine göre net 1 milyon dolardan fazla kar sağlayabilir.
Bu çalışma aynı zamanda yaklaşımın çevresel etkilerini de değerlendirdi. Şu anda Çin’de kullanılan ana madencilik ve işleme türlerinden biri yoluyla bir kilogram nadir toprak oksidi üretmekle karşılaştırıldığında, bakır tuzu yönteminin karbon ayak izinin yarısından daha azına sahip. Nlebedim’in ekibinin 2021’de ACS Sustainable Chemistry & Engineering’de bildirdiğine göre, 110’a kıyasla kilogram nadir toprak oksit başına ortalama yaklaşık 50 kilogram karbondioksit eşdeğeri üretiyor.
Ancak, tüm madencilik biçimlerinden daha çevreci olması gerekmez. Bir anlaşmazlık noktası, işlemin çok fazla enerji tüketen ve yine de bir miktar karbondioksit salan toksik amonyum hidroksit ve kavurma gerektirmesidir. Nlebedim’in grubu şimdi tekniği değiştiriyor. “Süreci karbondan arındırmak ve daha güvenli hale getirmek istiyoruz” diyor.
Bu arada, teknoloji o kadar umut verici görünüyor ki, manyetik malzemeler ve ürünler tasarlayan ve üreten bir Iowa şirketi olan TdVib, onu lisansladı ve bir pilot tesis kurdu. TdVib’in başkanı ve CEO’su Daniel Bina, başlangıçtaki amacın ayda iki ton nadir toprak oksidi üretmek olduğunu söylüyor. Tesis, veri merkezlerindeki eski sabit disk sürücülerindeki nadir toprak elementlerini geri dönüştürecek.
Teksas, San Marcos’ta bulunan bir şirket olan Noveon Magnetics, şimdiden geri dönüştürülmüş neodimiyum-demir-bor mıknatısları yapıyor. Tipik mıknatıs üretiminde, nadir topraklar çıkarılır, metal alaşımlarına dönüştürülür, ince bir toz haline öğütülür, mıknatıslanır ve bir mıknatıs haline getirilir. Şirketin CEO’su Scott Dunn, Noveon’un bu ilk iki adımı attığını söylüyor.
Noveon, atılan mıknatısları manyetiklikten arındırdıktan ve temizledikten sonra, onları yeni mıknatıslar olarak yeniden oluşturmadan önce doğrudan bir toz haline getirir. Diğer geri dönüşüm yöntemlerinden farklı olarak, önce nadir toprak elementlerini çıkarmaya ve ayırmaya gerek yoktur. Nihai ürünün yüzde 99’dan fazlası geri dönüştürülmüş mıknatıs olabileceğini söylüyor Dunn, küçük bir bakir nadir toprak elementi ilavesiyle – kendi deyimiyle “gizli sos” – bu, şirketin mıknatısların niteliklerine ince ayar yapmasına olanak tanıyor.
Noveon’un baş teknoloji sorumlusu Miha Zakotnik ve diğer araştırmacıların 2016’da Environmental Technology & Innovation’da bildirdiğine göre, geleneksel mıknatıs madenciliği ve üretimiyle karşılaştırıldığında, Noveon’un yöntemi enerji kullanımını yaklaşık yüzde 90 oranında azaltıyor. Başka bir 2016 analizi, Noveon’un yöntemiyle üretilen her bir kilogram mıknatıs için yaklaşık 12 kilogram karbondioksit eşdeğeri yayıldığını tahmin ediyor. Bu, geleneksel mıknatısların sera gazı miktarının yaklaşık yarısı kadar.
Dunn, Noveon’un şu anda ne kadar mıknatıs ürettiğini veya mıknatıslarının maliyetini paylaşmayı reddetti. Ancak mıknatıslar, bazı endüstriyel uygulamalarda, pompalarda, fanlarda ve kompresörlerde ve ayrıca bazı tüketici elektrikli aletlerinde ve diğer elektronik cihazlarda kullanılmaktadır.
Apple, geri dönüşüme yardımcı olmak için 23 iPhone modelini parçalayabilen robot Daisy’yi (gösterilmiştir) geliştirdi. Çalışmalardaki diğer robotlar – Taz ve Dave – nadir toprak mıknatıslarını kurtarma konusunda uzmanlaşacaklar.Apple
Nadir toprak geri dönüşümünün lojistik engelleri vardır
Araştırmacılar teknolojik engelleri aşsa bile, geri dönüşümün önünde hala lojistik engeller var. Fujita, “İçinde nadir toprak elementleri bulunan, ömrünü tamamlamış ürünleri toplayacak sistemlerimiz yok ve bu ürünleri sökmenin maliyeti var” diyor. Pek çok e-atık için, nadir toprak geri dönüşümü başlamadan önce, bu değerli metalleri içeren parçalara ulaşmanız gerekir.
Noveon, mıknatısları sabit disk sürücülerinden ve diğer elektronik cihazlardan çıkarmak için yarı otomatik bir işleme sahiptir.
Apple ayrıca geri dönüşüm sürecini otomatikleştirmeye çalışıyor. Şirketin Daisy robotu iPhone’ları parçalayabilir. Ve 2022’de Apple, nadir toprak elementlerinin geri dönüşümünü kolaylaştıran Taz ve Dave adlı bir çift robotu duyurdu. Taz, elektronik parçaların parçalanması sırasında tipik olarak kaybolan mıknatıs içeren modülleri toplayabilir. Dave, Apple’ın kullanıcılara örneğin bir iPhone ekranına dokunduklarında dokunsal geri bildirim sağlayan teknolojisi olan dokunma motorlarından mıknatısları kurtarabilir.
Fujita, robotik yardımcılarla bile şirketlerin ürünleri geri dönüşümü kolaylaştıracak şekilde tasarlamalarının çok daha kolay olacağını söylüyor.
Geri dönüşüm ne kadar iyi olursa olsun, Jowitt nadir bulunan dünyaya aç toplumumuzu beslemek için madenciliği artırma ihtiyacının etrafından dolaşmanın bir yolunu görmüyor. Ancak geri dönüşümün gerekli olduğunu kabul ediyor. “Aslında sınırlı kaynaklarla uğraşıyoruz” diyor. “Çöp sahasına atmak yerine elimizden geleni yapıp çıkarmaya çalışsak daha iyi olur.”