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Da rifiuti a terre rare: la Biometallurgia

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By Gabriele Sapienza

I rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche, sono rifiuti particolari che consistono in qualunque apparecchiatura elettrica o elettronica guasta, inutilizzata o obsoleta e dunque destinata all’abbandono. Secondo uno studio del Politecnico di Milano, nell’ambito del progetto E-WASTE – il ciclo intelligente, uno smartphone contiene 65 gr di plastica,11 grammi di ferro, 9 grammi di rame, 1 gr di terre rare (Praseodimio, Neodimio, Cerio, Lantanio, Samario, Terbio, Disprosio), 250 mg di argento, 24 mg di oro, 9 mg di palladio e altri elementi preziosi contenuti in piccolissime quantità, come cadmio, cobalto, rutenio. Questi elementi vengono estratti dalle miniere provocando un forte impatto ambientale, ma anche sociale per via della condizione di sfruttamento della manodopera.

Schede madri accumulate in discarica
Figura 1 – Schede madri in discarica [fonte Ansa]

Un pianeta sovrasfruttato

A causa della voracità dell’economia globale e del crescente aumento della popolazione mondiale, le risorse naturali che la Terra è in grado di generare autonomamente si esauriscono con una velocità sempre maggiore.
Secondo il metodo dell’Impronta Ecologica promosso dal Global Footprint Network, è stato calcolato che il nostro pianeta viene consumato circa 1,7 volte più velocemente rispetto alla capacità naturale degli ecosistemi di autorigenerarsi. Per rendere l’idea, ad esempio il fabbisogno italiano supera di circa 4,2 volte la disponibilità di risorse offerte dal nostro territorio.

Si tratta di un sovrasfruttamento che è reso possibile perché continuiamo a consumare il nostro capitale naturale. La ricchezza della natura costituisce anche la base del nostro benessere e del nostro sviluppo. Ogni anno l’Overshoot Day, rappresenta il giorno in cui la popolazione mondiale avrà consumato tutte le risorse disponibili sul pianeta per l’anno in corso, e ricorda a ciascuno di noi l’interdipendenza tra uomo e natura.

Una crescita senza fine

Grafico che rapporta l'aumento delle estrazioni globali
Figura 2 – Grafico che rapporta l’aumento delle estrazioni globali
[fonte Prometeo]

Il grafico evidenzia le fasi di crescita dell’estrazione globale nell’ultimo mezzo secolo. In costante aumento per la continua e crescente richiesta di smart things.

In particolare, la progressiva espansione della Cina verso un’egemonia nell’economia mondiale è impressionante. Fino al 2013 il PIL del paese è cresciuto con una media del 10% per circa 30 anni, trasformando la Cina da una arretrata economia agricola ad una potenza economica mondiale. L’ascesa del paese asiatico come “fabbrica del mondo” ha richiesto un continuo bisogno di quantità smisurate di materie prime, attraverso l’aumento sia dell’estrazione interna che delle importazioni. Questo ha prodotto un forte impatto sociale ed ecosistemico, in un arco di tempo così limitato sconvolgendo gli equilibri naturali del paese.

Un problema ambientale

Per via dell’enorme numero di componenti elettronici che annualmente finiscono in discarica (ogni anno da 20 a 50 milioni di tonnellate nel mondo), l’interesse verso la biometallurgia e l’idrometallurgia per generare valore dai RAEE è aumentato.
In particolare per criticità di smaltimento di questo tipo di rifiuti poiché in essi sono spesso presenti una gran quantità di elementi inquinanti (Piombo, Cadmio, Cromo, Mercurio, Arsenico, Selenio) e sostanze nocive tra cui idroclorofluorocarburi, clorofluorocarburi e ritardanti di fiamma bromurati, che costituiscono una grave minaccia per l’ambiente.

Secondo il Global E-waste Monitor, in soli 12 mesi nel 2020, si è registrata una perdita di metalli preziosi come mercurio, rame, ferro e oro per un peso complessivo di 50 tonnellate, pari a 56 milioni di euro.
Tra le diverse tipologie di oggetti, quelli che si trovano maggiormente nelle discariche e che quindi non subiranno nessun intervento di riciclo sono gli apparecchi di piccole dimensioni, quali videocamere, giocattoli, prodotti per cucina e rasoi. I grandi elettrodomestici che vengono smaltiti e conferiti in discarica raggiungono la quota del 24%.

12 Giugno 2018, Ghana, Accra: Discarica di Agbogbloshie
Figura 3 – 12 Giugno 2018, Ghana, Accra: Discarica di Agbogbloshie
[fonte: “dpa-Story – Unser Elektroschrott in Ghana”, Gioia Forster]

Riciclaggio responsabile

Secondo il Global E-waste Monitor del 2020, c’è aumento del 21% di RAEE (rifiuti di apparecchiature elettriche ed elettroniche) rispetto al 2014. Entro il 2030 la massa di e-waste salirà a 74 Mt, mentre la produzione globale di rifiuti elettronici cresce di due megatonnellate l’anno a causa dei tassi di consumo più elevati (+3% annuo), dei cicli di vita più brevi dei dispositivi e delle limitate opzioni di riparazione. Ogni anno ciascun cittadino accumula altri 4-5 chili di apparecchiature che rimangono abbandonate prima di venire smaltite.

Pascal Leroy è direttore generale del Forum Weee (Waste electrical and electronic equipment), che organizza la Giornata internazionale dei rifiuti elettronici, E-Waste Day, al fine di promuovere una solida raccolta, riparazione, riutilizzo o riciclaggio dei rifiuti elettronici.
Nel 2020 le organizzazioni per la responsabilità dei produttori hanno raccolto e assicurato il riciclaggio responsabile di 2,8 Mt di rifiuti elettronici.

Alcune innovazioni nei settori dei rifiuti e del riciclaggio, secondo gli studi permettono il recupero dell’oro e altri metalli dai rifiuti elettrici ed elettronici attraverso la biometallurgia. I trattamenti metallurgici attualmente utilizzati per il recupero dei metalli dai RAEE hanno gravi impatti sull’ambiente a causa della produzione di rifiuti secondari.

Impianto ad Auckland di Mint innovation
Figura 4 – Impianto ad Auckland di Mint innovation [fonte Mint]

Sviluppo sostenibile e capitale naturale

L’Agenda 2030 con i suoi 17 Obiettivi di Sviluppo Sostenibile delle Nazioni unite e l’Accordo di Parigi del 2015 della Convenzione Quadro ONU sui Cambiamenti Climatici, rappresentano un’occasione unica per mettere a sistema un insieme di proposte operative e concrete mirate. Negli ultimi anni le strategie di gestione dei rifiuti sono state indirizzate da un approccio lineare basato sul modello del “estrai-produci-usa-getta”, verso una visione circolare, in cui i rifiuti di un’attività diventano materie prime per un’altra.

I RAEE possono contenere migliaia di differenti sostanze, tra cui metalli di base, metalli preziosi e metalli critici. La possibilità di recuperare “materie prime critiche”, quali le terre rare presenti all’interno dei rifiuti elettronici ha portato la comunità scientifica verso lo sviluppo di tecnologie a basso costo e minor impatto ambientale come la biometallurgia o l’idrometallurgia. Riutilizzare i rifiuti elettronici come scorte di materie secondarie in sostituzione di materiali vergini, così come promosso dal noto concetto dell’ “urban mining” o “miniere urbane”, rappresenta una sfida importante per l’ambiente. Soprattutto di fronte allo sforzo senza precedenti necessario per la nuova strategia decennale futura (2020-2030) destinata a fermare la perdita di biodiversità nel mondo, che costituisce l’assicurazione fondamentale per la vita di noi tutti.

Dovremmo cercare di proteggere almeno il 50% della superficie del nostro pianeta entro il 2030 avviando anche un’ampia operazione di ripristino degli ecosistemi mondiali come annunciato dalle stesse Nazioni Unite che hanno lanciato nel marzo scorso l’avvio del decennio dell’Ecosystems Restoration.

Sustainable Development Goals
Figura 5 – SDGs [Fonte Onu]

Biometallurgia e minatori urbani: Mint Innovation

La biometallurgia è un settore della metallurgia che comprende la biolisciviazione, il bioassorbimento e il bioaccumulo di metalli mediante processi microbici. Mint Innovation, è una società di clean technologies che sviluppa processi scalabili a basso costo per il recupero di risorse preziose da RAEE.

I tecnici di Mint hanno sviluppato e brevettato una serie di innovazioni nei settori dei rifiuti e del riciclaggio.
Il processo di Mint Innovation è in grado di recuperare i metalli alla fonte, dalla miniera urbana rappresentata dai rifiuti elettronici della città e restituirli all’economia locale. Utilizzando una combinazione di chimica verde a basso costo e bioassorbimento microbico è possibile recuperare oro, rame e altri metalli. Questo rende il processo a basso consumo energetico, basse emissioni e quindi molto più sostenibile rispetto alle soluzioni esistenti.

Gli impianti sono progettati per avere un ingombro ridotto, consentendo di essere distribuiti all’interno delle città. Un aspetto chiave del processo Mint è l’uso di microbi proprietari che sono selettivi per metalli specifici. La mission di Mint è di realizzare le sue prime due bioraffinerie  a Sydney, in Australia e nel nord-ovest dell’Inghilterra. L’impianto di biometallurgia a Sydney sarà in grado di trattare fino a 3.500 tonnellate di rifiuti elettronici all’anno.

Video 1 – Processo bio-mettallurgico Mint Innovation [Fonte Mint]

Il processo di estrazione urbana di Mint

Il primo processo commercializzato di Mint, è un approccio di biometallurgia (biomining) unico per recuperare i metalli dai rottami elettronici in modo efficiente.
Il protocollo è relativamente semplice: La prima operazione è quella di convogliare i rifiuti elettronici nel centro di recupero, per essere triturati a diventare una polvere fine. La polvere, simile a sabbia, viene quindi immersa in sostanze chimiche che dissolveranno i metalli desiderati, mentre i materiali di scarto verranno filtrati. Alla soluzione contenente le sostanze chimiche e l’oro disciolto vengono aggiunti i microbi proprietari. Questi sono specificamente progettati per attirare atomi d’oro e separarli dal resto dei metalli. Questa tecnica è chiamata bioassorbimento selettivo. I microbi rivestiti d’oro vengono quindi filtrati, inceneriti e raffinati, come in una fucina per ottenere lingotti d’oro riciclato.

Il progetto per una filiera italiana per il riciclo dei telefoni

Enea sta sviluppando un processo innovativo per il recupero di materiali da telefoni cellulari, all’interno del progetto di ricerca Portent. 
Lo studio è iniziato il 26 aprile 2021 ed avrà una durata di due anni, con un budget di 138mila euro, co-finanziato dalla Regione Lazio, attraverso i fondi FESR, e coordinato dal laboratorio Enea in collaborazione con l’Università degli Studi di Roma “La Sapienza”.
I materiali interessanti da un punto di vista economico o strategico sono diversi: in un telefono possiamo trovare metalli nobili come oro, argento, palladio, rame e altre materie prime critiche (CRM – Critical Raw Materials) come, ad esempio, il tantalio.

Il progetto è caratterizzato da due fasi: Una prima di caratterizzazione di tutti i materiali che compongo il telefono. La seconda consiste nello sviluppo di un processo che permetta di recuperare i materiali, utilizzando l’idrometallurgia. L’Enea ha depositato un nuovo brevetto su una metodologia per il recupero di materiali ad elevato valore commerciale e strategico da schede elettroniche.
Il processo deve essere studiato in modo sostenibile da un punto di vista ambientale ma anche economico, per poterlo poi applicare all’industria.

I pericoli della biometallurgia e dell’idrometallurgia

Sebbene l’Urban Mining offra un’ottima alternativa al gettare i rifiuti elettronici in discarica, non tutto quel che luccica è oro. I costi di stoccaggio, gestione e trattamento dei RAEE spesso superano il costo dell’acquisto delle materie prime vergini.
Senza incentivi verso la transizione ecologica da parte della politica e degli organismi internazionali, le grandi aziende non sono attratte dalla possibilità di costituire una filiera per la gestione responsabile degli e-waste. Inoltre, attraverso il processo di biometallurgia e idrometallurgia l’oro e alcuni altri metalli preziosi vengono recuperati, mentre la maggior parte dei restanti metalli e minerali rimangono sostanze di scarto.

Conclusioni

Le progressive trasformazioni economiche contemporanee, orientate e guidate dallo sviluppo dell’high tech e l’importanza incrementale delle terre rare e dei minerali per l’industria tecnologica, potrebbero determinare in maniera decisiva alcune tendenze politiche e economiche internazionali nel prossimo futuro.

Per questo motivo è importante la diversificazione delle forniture di terre rare e metalli, la biometallurgia e l’idrometallurgia possono contribuire a raccogliere i rifiuti elettronici, riciclando e riutilizzando alcuni degli elementi che vi si trovano per dare una nuova vita ai componenti di telefoni e pc esausti. In un contesto geopolitico dove più dell’80% delle terre rare attualmente proviene dalla Cina, l’Urban Mining è una di quelle soluzioni che potrebbe offrire un modo per ottenere un flusso costante di materie prime invertendo la catena di approvvigionamento attuale e allentando la volatilità dei prezzi. Con i finanziamenti sufficienti per la ricerca e lo sviluppo, l’intero processo potrebbe diventare meno impattante e più sostenibile anche economicamente.

Fonti

Crediti media

Ashdown Agar

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