Современный мир стремительно развивается в области электроники, что неизбежно приводит к увеличению объема электронных отходов — так называемого e-scrap. Среди наиболее ценных и востребованных материалов, содержащихся в этих отходах, можно выделить тантал и марганец. Эти металлы играют важнейшую роль в производстве высокотехнологичных компонентов, в том числе танталовых конденсаторов, широко используемых в мобильных устройствах, ноутбуках и новых технологиях 5G и 6G. Однако спрос на эти элементы значительно превышает их добычу, что создает задатки для развития устойчивых и эффективных методов переработки. В последние годы особое внимание уделяется технологии микроволновой переработки с применением карботермического восстановления, которая способна значительно оптимизировать процесс извлечения металлов из сложных многокомпонентных материалов.
Тантал как критически важный металл обладает уникальными свойствами: высокой стойкостью к окислению и температурной стабильностью. В составе танталовых конденсаторов его доля достигает 50%, что делает их ценным вторичным источником тантала. Марганец, второй по массовой доле элемент в этих компонентах, также имеет важное значение в различных промышленных процессах, включая производство аккумуляторов и сплавов. Микроволновой нагрев представлен как инновационный метод, который радикально меняет парадигму традиционных процессов переработки металлических оксидов. В отличие от классического теплового нагрева, который передает энергию через поверхность образца и часто сталкивается с ограничениями в глубине проникновения тепла, микроволновая технология позволяет напрямую воздействовать на материал за счет объемного нагрева.
Электромагнитное поле микроволн вызывает возбуждение диполей и ионных поляризаций внутри материала, что приводит к его эффективному и быстрому разогреву. Особенностью данного метода является возможность селективного нагрева определенных фаз в многокомпонентной смеси, что существенно повышает точность и скорость переработки. Карботермическое восстановление, в свою очередь, представляет собой химическую реакцию восстановления металлических оксидов с помощью углерода. В процессе используется смесь порошков исходных материалов с добавлением углерода, и под действием высокой температуры происходит восстановление металлов путем образования оксидов углерода — монооксида и углекислого газа. Тантал и марганец восстанавливаются из своих оксидных форм до конечных соединений, таких как карбиды и окиси более низкого состава.
Комбинация карботермического восстановления и микроволнового нагрева снижает необходимую температуру реакции и время обработки, что способствует экономии энергии и ресурсов. Для повышения эффективности и селективности процесса была разработана многоступенчатая технология переработки, включающая три этапа с контролируемыми параметрами температуры и давления. Такая методика обеспечивает поэтапное восстановление марганца и тантала, что позволяет избежать образования нежелательных фаз и повысить качество извлеченных материалов. Сначала происходит восстановление марганца из высших оксидов до более низких форм при относительно низкой температуре и атмосферном давлении. Следующий этап направлен на восстановление тантала до карбида тантала (TaC) при повышенных температурных условиях и контролируемом избыточном содержании углерода.
Финальный этап стремится перевести оставшийся марганец в необходимое соединение, однако в практических экспериментах было выявлено, что стабильность карбида марганца в данных условиях недостаточна, что требует дальнейших исследований и оптимизации. Практическое внедрение данной технологии позволяет получать тонкопористый «губчатый» TaC размером около миллиметра с высокой степенью чистоты — порядка 97%. Такая структура материала обладает улучшенной стабильностью при хранении и может использоваться как исходный продукт для дальнейшего рафинирования до металлического тантала высокой степени чистоты. Марганец в ходе обработки переходит в оксидные формы с пониженной степенью окисления, что облегчает его последующую сепарацию и переработку. Технологический процесс начинается с предварительной подготовки исходных танталовых конденсаторов.
Они подвергаются пиролизу при температуре около 850 градусов Цельсия, в ходе которого органические компоненты, включая пластмассы и связующие вещества, трансформируются в углеродистое вещество, которое будет играть роль восстановителя в карботермическом процессе. После этого полученный материал мелко измельчается и смешивается с дополнительным углеродом для увеличения эффективности микроволнового нагрева и обеспечения избытка восстановителя. Экспериментальная установка обеспечивает надежный контроль микроволнового излучения, температуры и давления в реакторе. Использование вакуума и инертной атмосферы аргону позволяет поддерживать нужные условия для предотвращения переокисления и нежелательных реакций. Особое внимание уделяется оптимальной настройке волноводов и компонентов микроволновой системы, что минимизирует отраженные волны и максимально эффективно направляет энергию на образец.
Современное термодинамическое моделирование и расчеты с использованием подходов CALPHAD, а также анализ диаграмм Эллингаха и фазовых диаграмм позволяют точно определить условия, при которых достигается максимальная селективность и стабильность фаз. Эти инструменты дают возможность не только предсказать реакции, но и планировать многозадачные подходы для максимальной извлекаемости элементов. Одним из важных преимуществ микроволнового метода является значительное сокращение времени обработки. В традиционных печах карботермическое восстановление занимает часы при температурах свыше 1750 градусов Цельсия, тогда как микроволновая обработка снижает температуру до примерно 1250–1350 градусов и позволяет получить результат за считанные минуты. Это делает процесс более энергоэффективным и экономически выгодным.
Кроме того, микроволновой нагрев способствует «горячему трещинообразованию» — быстрому образованию микротрещин на поверхности твердых частиц, что увеличивает реакционную поверхность и усиливает взаимодействие компонентов. Такое явление улучшает кинетику реакций и способствует повышению чистоты конечного продукта. Необходимо отметить, что технология еще развивается и требует дополнительных исследований для оптимизации условий переработки марганца и повышения селективности отделения металлов. В частности, причины несоответствия ожидаемой фазы карбида марганца в завершающем этапе требуют более детального анализа физических свойств материалов и их взаимодействия с микроволновым излучением. Применение данной технологии имеет значительный потенциал для создания устойчивой цепочки поставок критически важных металлов.
В условиях глобальных геополитических рисков, связанных с добычей тантала преимущественно в Центральной Африке, переработка вторичных ресурсов становится стратегическим направлением. Кроме экологической выгоды — снижения нагрузки на первичные месторождения и сокращения объема отходов — микроволновая переработка обеспечивает более контролируемый и безопасный процесс извлечения металлов. Перспективы развития включают масштабирование технологии на промышленные уровни, улучшение методов разделения и очистки полученных материалов, а также применение данного подхода к другим видам электронных отходов, содержащих разнообразные редкие и драгоценные металлы. Интеграция с современными системами мониторинга и автоматизации позволит повысить воспроизводимость и снизить трудозатраты. Более того, микроволновая методика открывает возможности для использования менее энергоемких и более экологичных способов переработки, исключающих применение агрессивных химикатов и снижая эмиссию вредных веществ.
Это полностью соответствует принципам циркулярной экономики и устойчивого развития. В итоге, микроволново-ассистированное карботермическое восстановление из танталовых конденсаторов представляет собой перспективный и многообещающий путь переработки электронных отходов, направленный на устойчивое и экономичное извлечение ценных стратегических металлов. Комплексное понимание физико-химических процессов и применение современных инженерных решений обеспечивают эффективный переход от лабораторных исследований к коммерческому применению.
