Biến rác thành kho báu: Vi sóng đang cách mạng hóa quá trình tái chế rác thải điện tử như thế nào
Bo mạch ổ cứng này chứa tụ điện tantalum gắn trên bề mặt màu cam, được sử dụng để lưu trữ năng lượng trong các thiết bị điện tử nhỏ gọn. Nguồn: Terence Musho/West Virginia University
Bạn có thể chưa từng nghe đến tantalum, nhưng khả năng là bạn đang cầm một ít ngay lúc này. Đây là một thành phần thiết yếu trong điện thoại di động và máy tính xách tay của chúng ta và hiện tại, không có chất thay thế hiệu quả nào. Ngay cả khi bạn có kế hoạch tái chế các thiết bị của mình sau khi chúng hỏng, tantalum bên trong có khả năng sẽ bị đưa đến bãi rác hoặc được vận chuyển ra nước ngoài, bị mất mãi mãi.
Là một nhà nghiên cứu tập trung vào việc thu hồi vật liệu quan trọng, tôi đã dành nhiều năm để đào bới rác thải điện tử, không coi đó là rác mà là một mỏ đô thị chứa đầy các vật liệu có giá trị như tantalum.
Tại sao tantalum lại quan trọng
Tantalum là một kim loại hiếm, chịu nhiệt, rất quan trọng đối với tụ điện điện tử. Các tụ điện này là những thiết bị nhỏ lưu trữ và giải phóng năng lượng hiệu quả trong hầu hết mọi tiện ích điện tử mà bạn sử dụng. Khoảng 24% tổng lượng tantalum được sản xuất trên toàn cầu được sử dụng trong các tụ điện được tìm thấy trong các ứng dụng cao cấp, nhạy cảm với không gian như điện thoại thông minh, máy tính xách tay, thiết bị y tế và thậm chí cả thiết bị điện tử hàng không vũ trụ, trong đó 80% tụ điện tantalum được sản xuất dưới dạng hệ số dạng gắn trên bề mặt. Nếu không có tantalum, nhiều công nghệ thiết yếu của chúng ta sẽ không hoạt động hiệu quả.
Tuy nhiên, kim loại không thể thiếu này có giá khá đắt. Vào năm 2024, tantalum có giá 170 đô la Mỹ một kilôgam, đắt hơn nhiều so với các kim loại thông thường như đồng, có giá khoảng 9,50 đô la Mỹ một kilôgam. Mặc dù có giá trị cao như vậy, việc tái chế tantalum vẫn còn kém hiệu quả một cách đáng kinh ngạc. Các phương pháp tái chế truyền thống thường bỏ qua tụ điện tantalum vì việc khai thác số lượng nhỏ tốn nhiều năng lượng, tốn kém và gây nguy hiểm cho môi trường.
Chi phí ẩn của việc bỏ qua rác thải điện tử
Thực tế về rác thải điện tử rất đáng lo ngại. Chỉ riêng trong năm 2022, thế giới đã sản xuất hơn 62 triệu tấn thiết bị điện tử bị loại bỏ. Phần lớn rác thải điện tử này được đổ vào bãi rác hoặc vận chuyển ra nước ngoài, nơi các phương pháp tái chế không an toàn, như đốt bảng mạch hoặc tách kim loại bằng hóa chất, gây ra rủi ro cho sức khỏe và nguy cơ cho môi trường.
Với các vật liệu quan trọng như tantalum được đánh dấu là "rủi ro cao" do tình trạng khan hiếm và hạn chế về địa chính trị, việc bỏ qua quá trình phục hồi của chúng sẽ làm trầm trọng thêm cả các điểm yếu về kinh tế và chiến lược. Hoa Kỳ phụ thuộc rất nhiều vào việc nhập khẩu tantalum từ các quốc gia như Trung Quốc và tình trạng gián đoạn nguồn cung có thể ảnh hưởng đáng kể đến các ngành công nghiệp từ điện tử tiêu dùng đến công nghệ quốc phòng.
Một phương pháp tái chế mới sử dụng vi sóng
Tại Đại học West Virginia, Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Vật liệu và Hàng không Vũ trụ, nhóm của tôi và tôi đã bắt tay vào trả lời một câu hỏi đơn giản: liệu chúng ta có thể phát triển một phương pháp sạch hơn, an toàn hơn và tiết kiệm chi phí hơn để tái chế tantalum từ tụ điện đã qua sử dụng không?
Giải pháp hóa ra là vi sóng. Các vi sóng này tương tự như loại được sử dụng trong nhà bếp của bạn, nhưng mạnh hơn và được kiểm soát chính xác hơn. Sau đây là cách thức hoạt động của quy trình của chúng tôi:
Đầu tiên, chúng tôi cắt nhỏ tụ điện tantalum đã qua sử dụng và trộn bột thu được với vật liệu gốc carbon. Carbon, không giống như nước, hấp thụ vi sóng nhanh chóng, cho phép chúng ta tập trung nhiệt độ cao, có mục tiêu trực tiếp vào các hạt tantalum. Khi vi sóng làm nóng carbon một cách chọn lọc, chúng sẽ kích hoạt phản ứng gọi là "khử nhiệt cacbon".
Quá trình này biến đổi các hợp chất tantalum thành tantalum carbide tinh khiết, một dạng dễ thu hồi với mức độ tinh khiết đáng kể, lớn hơn 97%, như chúng tôi đã chứng minh trong nghiên cứu gần đây được công bố trên Scientific Reports.
Sử dụng vi sóng giúp loại bỏ các phương pháp xử lý hóa học khắc nghiệt và giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng so với các phương pháp truyền thống. Ngoài ra, nó còn giảm thiểu đáng kể các sản phẩm phụ thải có hại.
Từ thành công trong phòng thí nghiệm đến tác động đến ngành công nghiệp
Mặc dù các thử nghiệm ban đầu chứng minh phương pháp của chúng tôi có hiệu quả, nhưng bước quan trọng tiếp theo là mở rộng phương pháp này ra ngoài phòng thí nghiệm. Hiện tại, chúng tôi đang thực hiện các dự án thí điểm liên quan đến các lô rác thải điện tử lớn hơn, chẳng hạn như bảng mạch điện thoại thông minh và thiết bị máy chủ từ các trung tâm dữ liệu để xác thực khả năng mở rộng của công nghệ.
Nguồn tài trợ ban đầu của chúng tôi đến từ chương trình Tái chế tại Điểm thải bỏ (RPOD) của DARPA, phản ánh tầm quan trọng chiến lược mà quân đội Hoa Kỳ đặt vào việc tái chế trong nước các vật liệu quan trọng. Với an ninh quốc gia gắn chặt với công nghệ và độc lập về tài nguyên, việc tái chế tantalum hiệu quả có thể đóng vai trò then chốt không chỉ về mặt kinh tế mà còn về mặt chiến lược.
Tương lai bền vững: Lợi ích kinh tế và môi trường
Vậy, làm thế nào để chúng ta biến việc tái chế tantalum và các kim loại quan trọng khác thành hiện thực? Một phần quan trọng của câu trả lời nằm ở kinh tế. Khi các cơ sở tái chế nhận ra rằng họ có thể thu hồi kim loại có giá trị hàng trăm đô la một kilôgam một cách có lãi bằng các công nghệ giá cả phải chăng và thân thiện với môi trường, thì các động lực trở nên không thể cưỡng lại được.
Câu chuyện này là một phần của Science X Dialog, nơi các nhà nghiên cứu có thể báo cáo các phát hiện từ các bài báo nghiên cứu đã công bố của họ. Truy cập trang này để biết thông tin về Science X Dialog và cách tham gia.
Thông tin thêm: Ansan Pokharel và cộng sự, Tái chế tantalum và mangan từ tụ điện tantalum cuối vòng đời bằng lò vi sóng, Scientific Reports (2025). DOI: 10.1038/s41598-025-96574-7
Thông tin tạp chí: Scientific Reports
Terence Musho, P.E., Tiến sĩ, là Phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Cơ khí, Vật liệu và Hàng không vũ trụ tại Đại học West Virginia. Ông lấy bằng Tiến sĩ Khoa học Vật liệu tại Đại học Vanderbilt, chuyên về mô hình vật liệu nguyên lý đầu tiên. Nghiên cứu hiện tại của ông tập trung vào việc phát triển các phương pháp luyện kim nhiệt luyện tăng cường bằng lò vi sóng để thu hồi các vật liệu quan trọng từ rác thải điện tử. Công trình của ông nhằm mục đích chuyển đổi ngành tái chế thông qua các công nghệ tiết kiệm năng lượng, có khả năng mở rộng quy mô, hỗ trợ khai thác mỏ đô thị và nền kinh tế tuần hoàn bền vững hơn.
