В современном мире электронная промышленность развивается стремительными темпами, что сопровождается ежегодным увеличением объема электронных отходов. Одним из ключевых компонентов, используемых в электронике, особенно в портативных устройствах, являются танталовые конденсаторы. Эти миниатюрные элементы применяются в смартфонах, ноутбуках, сетевом оборудовании и разнообразной бытовой технике из-за их высокой ёмкости, надежности и устойчивости к высоким температурам. Однако с окончанием срока службы устройств возникает серьезная проблема – утилизация и переработка этих компонентов, содержащих в себе ценные и редкие элементы, в частности тантал и марганец. Именно в этой области современные технологии микроволнового нагрева и карботермического восстановления демонстрируют значительный потенциал как перспективное решение для эффективного и экологически безопасного извлечения металлов из электронного лома.
Мировое производство электронных отходов достигло рекордных объемов, превысив 65 миллионов тонн в 2024 году, при этом только около 17% всего объема подвергается переработке. Электронный мусор является важным источником редких и стратегических металлов, включая тантал и марганец, спрос на которые продолжает расти на фоне развития технологий 5G, электромобилей и других инновационных направлений. Тантал, относящийся к категории критически важных материалов, преимущественно добывается в африканских странах, в частности в Руанде и Демократической Республике Конго, что ведет к зависимости рынков и рискам перебоев в поставках. Аналогично марганец, широко используемый в металлургии и производстве аккумуляторов, подвержен колебаниям в добыче, что делает вопрос переработки и вторичного извлечения этих металлов крайне актуальным. Танталовые конденсаторы содержат до 50% тантала и около 18% марганца по массе, что делает их ценным объектом для переработки.
Однако традиционные методы извлечения этих металлов зачастую энергозатратны и экологически неблагоприятны, а также требуют значительных временных ресурсов. Здесь на помощь приходит микроволновое нагревание – технология, основанная на прямом объёмном воздействии электромагнитного поля на материал, обеспечивающая быструю и равномерную обработку с меньшими потерями энергии. Суть нового подхода заключается в использовании технологии карботермического восстановления с микроволновым облучением частотой 2.45 ГГц, что позволяет selectively восстанавливать тантал и марганец из смеси оксидов, содержащейся в танталовых конденсаторах. В основе этой методики лежит трехступенчатый процесс, проводимый при разных температурах и давлениях, оптимизированных на основе анализа диаграмм Эллингема и фазовых диаграмм с помощью CALPHAD-метода.
Такой подход позволяет, во-первых, уменьшить энергозатраты за счет эффективного прогрева и ускорения реакций, а во-вторых, добиться селективного разделения веществ на этапе восстановления. Первым этапом становится термическое разложение (пиролиз) конденсаторов при температуре около 850 °C в воздушной атмосфере с целью удаления органических компонентов и превращения пластмасс и покрытий в углеродистую матрицу. Этот шаг повышает концентрацию металлических составляющих, подготавливая материал к последующим реакциям. Далее полученная смесь вместе с добавлением порошка углерода подвергается микроволновому облучению при контролируемом вакууме и температуре. В первом цикле происходит восстановление марганца из высших оксидов до более низких форм, далее – при более высокой температуре и слегка измененном давлении – активируется карботермическое восстановление тантала с образованием карбида тантала (TaC), обладающего высокой стабильностью и пригодного для дальнейшего использования или переработки.
Физическое отделение спонгообразного TaC, образующегося в виде гранул диаметром около 1 мм, позволяет получить материал с чистотой, достигающей 97%. Последний этап направлен на дальнейшее восстановление марганца, однако практические результаты показывают ограниченную стабильность карбидов марганца при высоких температурах, что указывает на необходимость дополнительных исследований для оптимизации этой стадии. Тем не менее, конечные продукты содержат низкоокисленные формы марганца, которые могут иметь ценное применение или быть переработаны иным способом. Преимущества микроволновой технологии для переработки танталовых конденсаторов очевидны: существенно сокращается время обработки (до нескольких минут на этапе восстановления), снижается потребление энергии благодаря прямому объёмному нагреву, избегаются проблемы неравномерного прогрева, характерные для традиционных печей. Кроме того, метод позволил избежать необходимости использования дополнительных флюсов или химических реактивов, что дополнительно снижает экологическую нагрузку и упрощает процесс.
Термическое управление процессом обеспечивается с помощью ИК-пирометра с высокой точностью измерения температуры, а создание нужной степени вакуума и инертной атмосферы препятствует обратному окислению продуктов и стимулирует протекание восстановительных реакций. Оптимизация параметров микроволновой установки и подстройка элементов волновода позволяют эффективно передавать энергию в образец, обеспечивая максимальную скорость и качество восстановления металлов. Данный подход открывает новые горизонты в области вторичного извлечения редких металлов из электронных отходов и может быть расширен на другие виды комплексных смесей и материалов, что особенно важно с учетом растущей проблемы утилизации электронного лома на глобальном уровне. Использование микроволновой энергии в сочетании с экологически чистыми восстановительными процессами может стать ключом к устойчивому развитию и снижению зависимости от ограниченных природных источников. Перспективы развития технологии включают увеличение масштаба переработки, оптимизацию отделения и очистки полученных металлов, а также расширение спектра перерабатываемых компонентов.
