LED и потерянные ресурсы

Комаров С.М.
(«ХиЖ», 2014, №11)

Для того, чтобы что-то очистить, надо что-то испачкать. Но можно перепачкать все, ничего при этом не вычистив.

Третий закон экологии.


Большинство электронных материалов, созданных в XX веке, требуют применения редких и рассеянных элементов. Например, светодиод белого света, в основе которого — синий светодиод Накамуры — Акасаки — Хироси, лауреатов Нобелевской премии по физике 2014 года. Его полупроводниковое сердце содержит галлий и индий в соотношении примерно один к двум. Еще там есть алюминий. Все это закреплено на подложке из сапфира, к которому подведены медные контакты. Присутствует золотая проволочка, соединяющая катод и анод. Синий свет надо преобразовать в белый; это делает люминесцентный слой на основе иттрий-алюминиевого граната с добавками гадолиния. Он дает так называемый холодный белый свет с сильной синей компонентой. Чтобы сделать его теплым, приходится добавлять европий, излучающий в красной области спектра, а также церий. В сумме свет получится желтоватым, как от солнца или вольфрамовой спирали в привычной лампе накаливания.

Очевидно, что через некоторое время — когда будет выработан ресурс светодиода (который достаточно велик — до 50 тысяч часов) или ресурс светильника — все эти элементы окажутся на свалке. Дальше у них два пути: погребение на мусорном полигоне либо переработка, — эти элементы извлекут, разделят и снова пустят в производство. Пока что вторым путем идет лишь малая толика редких элементов: только у 20 из них, как правило, многотоннажных продуктов черной и цветной металлургии, степень возврата превышает 25%. Терять же редкие элементы жалко, ведь их не так просто добывать, а кроме того, рынок многих из них сейчас монополизировала КНР. Недаром в ЕС принята директива по обеспечению снабжения местной промышленности четырнадцатью критическими элементами. Это кобальт, галлий, германий, индий, платиноиды, редкие земли и тантал. Практически все они содержатся в электронном и электрическом мусоре. И прежде всего в телевизорах, компьютерах, смартфонах, планшетах, а теперь еще и в светодиодах.

Специалисты из дармштадского отделения Института прикладной экологии во главе с Маттиасом Бухертом по заказу правительства земли Северный Рейн— Вестфалия в феврале 2012 года попытались проанализировать, какие элементы в каких отходах содержатся и как все это можно перерабатывать. Доклад был написан на основе потребления бытовой электроники населением Германии, но если исходить из того, что такое потребление определяется доходами граждан (а об их уровне, в свою очередь, обычно судят по доле валового национального продукта, приходящегося на душу населения), то можно представить себе и масштабы проблемы в любой другой стране, сделав соответствующий перерасчет. Вот какие результаты они получили.

Первая группа — жидкокристаллические дисплеи, плоские телевизоры и плазменные панели. Во всех этих изделиях есть прозрачный электрод площадью с экран, сделанный из оксида индия с добавками олова. Если жидкий кристалл подсвечивают белые неорганические светодиоды, как в большинстве бытовых дисплеев, то электродов два, если органические диоды — то один. В первом случае индий, а также галлий, иттрий, европий и прочие элементы входят в состав самих светодиодов, число которых в телевизорах с большим экраном может достигать полутора сотен. В результате на один квадратный метр дисплея приходится от 464 до 864 мг индия, а в тонне дисплеев — в среднем 174 грамма индия. Микросхемы обязательно содержат драгоценные металлы: на один средний экран — 550 мг серебра, 150 мг золота и 40 мг платины. В динамиках есть магниты, а в них неодим, празеодим и немного диспрозия.

Посчитать, сколько этого добра ежегодно отправляется на свалку, можно, оценив объем продаж. В 2010 году в Германии купили 2,5 млн. дисплеев для компьютеров и 8,3 млн. телевизоров. В дисплеях содержалось 1,3 т серебра, с полтонны золота, 200 кг индия, 100 кг платины и 32 кг иттрия, вес остальных элементов исчисляется килограммами и менее. В телевизорах же, экраны которых гораздо больше, серебра оказалось 4,7 т, индия — 2,2 т, золота — 1,1 т, 647 кг иттрия, 360 кг палладия. Европия, лантана, тербия и галлия — десятки килограммов.

У компьютеров ценные элементы содержатся в батарейках, жестких дисках и микро- схемах, а у ноутбуков — еще и в дисплеях, которые не были учтены в предыдущем расчете. В батарейках главная ценность — кобальт, входящий в состав электродов. Жесткие диски — это магниты на основе уже упомянутых неодима, празеодима и диспрозия, эти же элементы есть и в динамиках. В микросхемах помимо золота, серебра и платины присутствует еще и тантал в виде компактных электрических конденсаторов. Всего в одном ноутбуке (их сейчас продается больше всего) содержится 438 мг серебра, 104 мг золота и 39 мг палладия. Кобальта — 50 г, тантала — 1,7 г, 2,1 г неодима, 274 мг празеодима и 60 мг диспрозия. Индий, галлий, иттрий опять же содержатся в дисплеях ноутбуков. Всего в 2010 году в Германии продали немногим более 7 млн. ноутбуков, стало быть, это 460 т кобальта, 15 т неодима, 12 т тантала, 3 т серебра и 2 т празеодима. Золота — 736 кг, диспрозия — 426 кг, индия и палладия примерно по 280 кг. Иттрия, платины, галлия — десятки килограммов.

Следующий тип массовых устройств — смартфоны. В килограмме смартфонов содержится 350 мг серебра, 30 мг золота и 11 мг палладия. Между прочим, последнего — примерно в десять раз больше, чем в той руде, из которой его извлекают. Однако имеется проблема со сбором смартфонов: в специализированные центры по переработке попадает не более 5% выброшенных устройств. Остальные оказываются в несортированном мусоре. Кобальта в батарейках — от 3 до 6 граммов, 60 мг неодима с празеодимом — в динамике. В дисплее, естественно, есть индий и олово. Умножая на 7,7 млн. смартфонов, проданных в Германии в 2010 году, получаем 48,5 т кобальта, 2,4 т серебра, 385 кг неодима и 230 кг золота.


s20141108 led1.jpg


А теперь переходим к светодиодам, используемым для освещения. В одном белом светодиоде находится 29 мкг индия, 32,5 мкг галлия, 32 мкг иттрия, 15 мкг гадолиния, 2 мкг церия и 0,6 мкг европия. Сейчас светодиоды не стали основным источником света, однако не исключено, что в ближайшем будущем они вытеснят если не всех конкурентов, то, по крайней мере, многих, кроме разве что энергосберегающих люминесцентных, которые по световой эффективности сейчас выигрывают у светодиодов. Так, в лабораторных условиях светодиоды могут выдавать 200—250 люменов на ватт мощности, в то время как лампа накаливания — всего 10—20 лм/Вт. Однако у промышленно изготавливаемых светодиодов эффективность меньше: 20—90 лм/Вт. У люминесцентных же ламп — 60—110 лм/Вт.

Сколько же светодиодов понадобится немцам? Посчитать это можно, исходя из того, что в развитых странах на освещение одного квадратного метра расходуется от 315 (в США) до 515 (в Японии) люменов. При средней площади дома 90 кв. м в Германии или 160 кв. м в США получается 40—50 тысяч люменов на дом. В Германии примерно 40 миллионов домов. Отсюда получается потребность в 1,6 трлн. люменов, или, с учетом того, что один светодиод дает примерно 10 люменов, — 160 млрд. светодиодов для замены всех ламп. При столь радикальном подходе потребуется несколько тонн индия, галлия, иттрия и гадолиния. Через некоторое время (декларируемые 50 тысяч часов — это примерно две тысячи суток, или семь лет непрерывной работы) светодиоды будут ломаться, их станут выбрасывать, видимо, примерно по 20—25 млрд. штук в год (если их все надо обновлять за семь лет) в одной Германии. Это сотни килограммов редких элементов — вполне сравнимо с телевизорами и компьютерами.

А хватает ли ресурсов для того, чтобы делать эти огромные количества светодиодов? Оценки перспектив имеются, хотя разброс их велик, поскольку эксперты прогнозируют в 2020 году объем мирового производства 45—165 млрд. штук в год. При этом оценки производства даже для 2010 года не очень точны. Однако некоторые границы обозначить можно. Например, галлия из 161 т годового производства в 2010 году на изготовление светодиодов пошло 0,75—1,56 т, а в 2020-м будет 1,46—5,34 т. Индия соответственно из 574 т — 0,678—1,38 и 1,3—4,76 т, европия (400 т) 14—29 кг и 27—99 кг, гадолиния (4000 т) 347—720 и 674—2470 кг, иттрия (8900 т) 7839—1540, 1440—5600 кг. В общем, нельзя сказать, что очень уж много, разве что на европий может прийтись четверть годового производства этого элемента, но в связи с прекращением производства электронно- лучевых трубок, где европий использовали для красного цвета, его производство простаивает.

Тем не менее вернуть назад в производство все эти тонны и сотни килограммов элементов было бы заманчиво. К сожалению, пока это невозможно.

Лучше всего перерабатывать крупные вещи, которые выгодно разбирать на компоненты. Так, у ноутбуков отделяют батарейки и экраны. А все остальное, равно как и телевизоры, и смартфоны, размалывают. Батарейки и дисплеи также размалывают, но отдельно от компьютеров. Из батареек извлекают кобальт и никель, причем это удается очень хорошо — спасают до трех четвертей кобальта. Дисплеи перерабатывают главным образом для извлечения вредной ртути, удаляя вручную соответствующие компоненты.

Диски и динамики не достают и не перерабатывают, поскольку такие технологии еще не созданы. Точно так же, никто не вырезает с материнских плат танталовые конденсаторы. Все это отправляется в размол. А из полученных осколков извлекают лишь драгоценные металлы — их относительно много, и они дороги. Все же остальное отправляется в отвалы, например в шлак металлургического процесса.

Маленькие светодиоды никто не собирает, и вряд ли когда-нибудь начнут. Экономическая эффективность подобных мероприятий неочевидна, и большого вреда окружающей среде они не приносят — в данном случае, к сожалению: если бы приносили, как люминесцентные лампы или батарейки, сознательные граждане и организации стремились бы наладить сбор даже за свой счет. Кроме того, не отработана и сама технология разложения светодиода на элементы. Впрочем, даже с извлечением драгметаллов из электрического лома не все так замечательно: при переработке в Германии их удается спасти не более четверти. Видимо, нужно нечто радикальное, что исключило бы сложные химические процессы и ручную сортировку мусора, из-за которых сортировка нерентабельна. Например, действия в рамках изотопной экономики, когда отходы превращают в плазму, а потом разделяют ее с помощью ускорителей (см. «Химию и жизнь», 2008, № 1). Но к такому радикальному средству может подвигнуть только жесткая необходимость, когда и если она возникнет.

Разные разности

12.09.2018 18:00:00

Сотрудники геологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова провели исследования арктического кратера на полуострове Ямал, выяснили причину его образования и открыли новое геологическое явление, ранее известное только для ледяных планет и планетоидов.

>>
07.09.2018 10:00:00

Сотрудник кафедры зоологии позвоночных МГУ имени М.В. Ломоносова в ходе международной экспедиции нашёл и описал новый вид тонконогих чесночниц. Вид назвали Leptobrachium tenasserimense.

>>
04.09.2018 10:00:00

...возможно, на Марсе есть подледное озеро жидкой воды шириной 20 км...


...редактирование геномов с помощью CRISPR-Cas9 может вызывать обширные делеции и геномные перестройки, затрагивающие многие тысячи нуклеотидов и потенциально патогенные...


...гугл-очки с функцией распознавания эмоций по выражению лица снижают проявления аутизма у детей...


>>
31.08.2018 10:00:00

Однозначно ответить на вопрос, какая сила позволяет паукам летать на своей расправленной паутине, никто не может почти двести лет. Похоже на электрическое явление, но никто пока что не собрался изучить связь паука с электричеством. Этот промах исправили Эрика Морли и Дэниэл Роберт из Бристольского университета.

>>
29.08.2018 13:00:00

Ответ на вопрос, заданный в заголовке, искали орнитологи во главе с Мартином Найфеллером из Базельского университета. Правда, не для всех птиц, а для тех, что уничтожают вредителей садов и огородов.

>>