Retke zemlje, skup od 17 metalnih elemenata sa specifičnim hemijskim i magnetnim svojstvima, predstavljaju ključne komponente u elektronici, medicinskoj dijagnostici, optici i industrijskim katalizatorima. Posebno su važne za visokosnažne magnete i baterije koje se koriste u električnim vozilima i tehnologijama za energetsku tranziciju. Kako potražnja raste, pitanje dostupnosti postaje sve relevantnije i za industrije koje zavise od stabilnog snabdevanja magnetnim materijalima.
U 2021. godini globalno je izvađeno 280.000 metričkih tona retkih zemalja, što je oko 32 puta više nego sredinom 1950-ih. Procene stručnjaka ukazuju da bi do 2040. godine potrebe mogle porasti i do sedam puta u odnosu na današnji nivo. Ovakav rast potražnje dolazi u trenutku kada retke zemlje nisu koncentrisane u lako eksploatabilnim ležištima, pa se proizvodnja oslanja na obimnu preradu velikih količina rude.
Tehnološki lanac od eksploatacije do izdvajanja retkih zemalja obično uključuje fizičku i hemijsku koncentraciju, razdvajanje pojedinačnih elemenata i procese koji su energetski intenzivni. U tom režimu često se koriste toksične hemikalije i nastaje mali obim radioaktivnog otpada koji mora biti bezbedno zbrinut. Dodatni operativni rizik je geografska koncentracija kapaciteta: Kina ima blisku monopolsku poziciju i u rudarstvu i u preradi, dok SAD imaju samo jedno aktivno rudarsko nalazište.
Zbog toga se reciklaža sve češće posmatra kao mehanizam diverzifikacije izvora retkih zemalja, ali ne kao potpuna zamena za primarnu proizvodnju. Materijalni naučnik Ikenna Nlebedim ističe da reciklaža može imati centralnu ulogu, uz napomenu da nije realno očekivati da će rešiti čitav problem kritičnih materijala. U segmentu magneta, pojedine procene navode da bi reciklaža mogla zadovoljiti do četvrtine potražnje za retkim zemljama u roku od oko deset godina.
Praktična ograničenja reciklaže proizlaze iz činjenice da se retke zemlje često ne nalaze u proizvodima na način koji omogućava jednostavno izdvajanje. U SAD i Evropi se već standardno reciklira 15 do 70% drugih metala poput gvožđa, bakra, aluminijuma, nikla i kalaja, ali kod retkih zemalja je situacija drugačija: danas se reciklira približno 1% retkih zemalja sadržanih u starim proizvodima. Razlog je što su mnogi proizvodi „inherentno slabo reciklabilni“, jer su elementi mešani sa drugim metalima ili ugrađeni u složene sklopove.
U tehnološkom smislu, reciklaža retkih zemalja iz odbačenih uređaja može ličiti na izazove klasične ekstrakcije iz rude: potrebna je separacija elemenata koja je slična procesu razdvajanja nakon koncentracije iz ležišta. Tradicionalne metode često zahtevaju opasne kiseline poput hlorovodonične kiseline i značajnu toplotu, što povećava energetsku potrošnju i ekološki otisak. Ekonomska opravdanost dodatno zavisi od prinosa: tvrdi disk može sadržati svega nekoliko grama retkih zemalja, dok neki proizvodi sadrže samo miligrame.
U laboratorijskim istraživanjima razvijaju se alternativni pristupi koji pokušavaju da smanje upotrebu agresivnih reagenasa ili preskoče pojedine korake ekstrakcije i separacije. Jedan pravac oslanja se na mikroorganizme koji proizvode organske kiseline sposobne da „izvuku“ određene retke zemlje iz otpada bogatog tim elementima. Takve biološke metode ciljaju na smanjenje ekološke štete u odnosu na klasično leženje hlorovodoničnom kiselinom ili drugim metal-leaching kiselinama.
Istraživanja Yoshiko Fujita iz Idaho National Laboratory bave se biogeokemijskim mehanizmima ponovne upotrebe i reciklaže u okviru Critical Materials Institute. U eksperimenatima se pokazalo da bakterije Gluconobacter prirodno proizvode organske kiseline koje mogu povući retke zemlje poput lantana i cerijuma iz istrošenih katalizatora korišćenih u rafinerijama nafte ili iz fluorescentnih fosfora za osvetljenje. Prema navodima istraživača, bio-kiseline su manje problematične od hlorovodonične kiseline jer se mogu prirodno razgraditi.
U praksi, bio-leženje je pokazalo oporavak približno četvrtine do polovine retkih zemalja iz katalizatora i fosfora. Hlorovodonična kiselina postiže znatno bolje rezultate: u nekim slučajevima ekstrakcija može dostići i do 99%. Ipak, Fujita i saradnici su 2019. godine objavili rezultate o potencijalnoj profitabilnosti bio-metoda kroz scenarije procesiranja koji uključuju troškove ishrane mikroorganizama.
U hipotetičnom postrojenju koje godišnje obrađuje 19.000 metričkih tona korišćenog katalizatora, procenjene godišnje prihode istraživači su postavili na oko 1,75 miliona dolara. Kada bi bakterije bile hranjene rafinisanim šećerom, ukupni troškovi proizvodnje retkih zemalja bili bi oko 1,6 miliona dolara godišnje, ostavljajući približno 150.000 dolara profita. Prebacivanje ishrane na kukuruznu stabljiku, ljuske i druge ostatke žetve smanjilo bi troškove za oko 500.000 dolara, uz procenu profita od oko 650.000 dolara.
Drugi mikrobiološki pristup uključuje proteine koji selektivno vezuju pojedine retke zemlje tokom metabolizma mikroorganizama. Otkriveno je da neke bakterije koje metabolizuju retke zemlje proizvode protein lanmodulin koji preferencijalno „hvata“ te metale i može pomoći separaciji između elemenata poput neodimijuma i disprozijuma, komponenti magneta na bazi neodimijum–gvožđe–bor (NdFeB). Koncept lanmodulina potencijalno bi mogao smanjiti oslanjanje na više hemijskih solventa tipičnih za separacione korake.
Pored toga, ostaci procesa bili bi protein koji je biorazgradiv, što otvara prostor za smanjenje otpada u poređenju sa nekim konvencionalnim tokovima procesa. Međutim, pitanje skaliranja ostaje otvoreno: prema dostupnim informacijama nije poznato da li sistem može postići komercijalnu efikasnost na industrijskom nivou.
Za razliku od bio-leženja iz katalizatora ili fosfora, drugi pristup već ulazi u faze komercijalizacije kroz korišćenje rastvora soli bakra za izvlačenje retkih zemalja iz odbačenih magneta. Neodimijum–gvožđe–bor magneti sadrže oko 30% retkih zemalja po masi i predstavljaju najveću pojedinačnu primenu ovih metala globalno. Jedna projekcija navodi da bi oporavak neodimijuma iz američkih tvrdih diskova mogao pokriti oko 5% svetske potražnje van Kine do kraja decenije.
Nlebedim je vodio tim koji je razvio tehniku leženja pomoću bakarnih soli iz usitnjenog elektronskog otpada koji sadrži magnete. Postupak podrazumeva uranjanje e-otpada u rastvor bakarnih soli na sobnoj temperaturi kako bi se rastvorili elementi magneta; potom se drugi metali mogu izdvojiti za zasebne tokove reciklaže. Bakar se može ponovo koristiti kroz regeneraciju rastvora soli, dok se retke zemlje zatim solidifikuju i uz dodatne hemikalije i zagrevanje pretvaraju u prahaste minerale nazvane oksidi retkih zemalja.
Prema rezultatima tima, proces primenjen na materijal nastao kao otpad iz proizvodnje magneta može oporaviti između 90% i 98% retkih zemalja. Materijal dobiven ovim putem dovoljno je čist da služi kao ulaz za proizvodnju novih magneta, što je demonstrirano kroz istraživački rad tima Nlebedim-a. Ekonomska analiza navodi da bi reciklaža 100 tona preostalog materijala mogla proizvesti oko 32 tone oksida retkih zemalja uz neto profit veći od milion dolara u scenariju „najboljeg slučaja“.
Procena uticaja na životnu sredinu pokazuje razlike u ugljeničnom otisku između ovog metoda i jedne od glavnih vrsta rudarstva i prerade koja se koristi u Kini. U poređenju sa proizvodnjom jednog kilograma oksida retkih zemalja preko kineskog modela proizvodnje, metoda sa bakarnim solima ima manje od polovine ugljeničnog otiska: prosečno oko 50 kilograma ekvivalenta ugljen-dioksida po kilogramu oksida naspram približno 110 kilograma prema podacima objavljenim 2021. godine u ACS Sustainable Chemistry & Engineering.
Ipak, to nije automatski garancija „najčišćeg“ rešenja među svim opcijama rudarstva i prerade jer proces zahteva toksični amonijum-hidroksid i fazu roštiljanja (roasting) koja troši energiju te ipak emituje određenu količinu ugljen-dioksida. Nlebedimova grupa radi na modifikacijama procesa sa ciljem dekarbonizacije toka energije i povećanja bezbednosti rada kroz promene reagensa ili režima termičke obrade.
Tehnologija je licencirana kompaniji TdVib iz Ajove koja projektuje magnetne materijale i proizvode te gradi pilot postrojenje. Planirani početni kapacitet je proizvodnja dve tone oksida retkih zemalja mesečno uz reciklažu retkih zemalja iz starih tvrdih diskova koje koriste data centri. Ovakav pilot režim važan je jer meri operativnu stabilnost procesa kada ulazni tokovi otpada variraju po sastavu.
S druge strane Atlantika, Noveon Magnetics sa sedištem u San Markosu (Teksas) već proizvodi reciklirane NdFeB magnete koristeći drugačiji industrijski koncept koji skraćuje deo tradicionalnog lanca obrade metala. U klasičnoj proizvodnji magneta redosled uključuje rudarenje retkih zemalja, pretvaranje u legure metala, mlevenje u fin prah, magnetizaciju i formiranje magneta; Noveon preskače prve korake pretvaranja kroz direktno mlevenje demagnetizovanih delova magneta nakon čišćenja otpada.
Nakon demagnetizacije Noveon melje iskorišćene magnete u prah pa zatim gradi nove magnete bez prethodne ekstrakcije i separacije pojedinačnih elemenata iz ruda ili rastvora. Kompanija navodi da finalni produkt može biti više od 99% recikliranog porekla uz dodatak manjeg udela „devic“ (devinog) materijala kako bi se precizirale karakteristike magneta kroz finu korekciju svojstava. Magneti se koriste u industrijskim aplikacijama poput pumpi, ventilatora i kompresora te u nekim potrošačkim alatima i elektronici.
U odnosu na konvencionalnu rutu proizvodnje magneta iz primarnih sirovina, Noveonov pristup redukuje potrošnju energije za oko 90%, prema istraživanjima objavljenim 2016. godine u Environmental Technology & Innovation. Dodatna analiza iste godine procenila je emisije od oko 12 kilograma ekvivalenta ugljen-dioksida po kilogramu magneta proizvedenog ovom metodom; to je približno polovina emisija konvencionalnih magneta prema toj studiji.
Iako tehnološka rešenja napreduju, logistika ostaje ključna prepreka za širu primenu reciklaže retkih zemalja. Fujita naglašava da ne postoje razvijeni sistemi prikupljanja krajnjih proizvoda koji sadrže ove metale te da troškovi demontaže predstavljaju značajan deo ukupnog tereta pre nego što reciklaža može početi. Za mnogi e-otpad prvo treba doći do delova koji nose magnetne module ili druge komponente sa visokovrednim elementima.
Noveon koristi semiautomatski postupak uklanjanja magneta iz tvrdih diskova i drugih elektronskih uređaja kako bi standardizovao ulazni tok sirovine za reciklažni proces. Paralelno s tim Apple uvodi automatizaciju demontaže uređaja: robot Daisy rastavlja modele poput ajfona radi izdvajanja delova pogodnih za obradu; kompanija je takođe najavila robote Taz i Dave namenjene procesiranju modula povezanih sa magnetima tokom drobljenja elektronike te oporavku magneta iz taptic motora koji obezbeđuju taktilne povratne informacije korisniku.
Čak ni uz robotsku pomoć nije jednostavno postići ekonomsku efikasnost ako dizajn proizvoda ne olakšava demontažu i separaciju komponenti koje nose kritične materijale. U tom kontekstu Jowitt naglašava da čak ni najbolja reciklaža ne eliminiše potrebu za povećanjem rudarske proizvodnje kako bi se zadovoljila rastuća potražnja društva zavisnog od tehnologija koje koriste retke zemlje. Istovremeno smatra da oporavak vrednosti iz postojećih tokova otpada ima smisao jer su resursi ograničeni po svojoj geologiji.
Za regionalne aktere industrije metala i energije relevantnost ovih trendova ogleda se u kombinaciji tehnoloških performansi procesa oporavka—uključujući prinose do visokih procenta kod određenih metoda—i ograničenja koja proizlaze iz dostupnosti ulaznih tokova e-otpada te troškova demontaže komponenti sa magnetnim sadržajem. Kako tržište traži stabilnije izvore kritičnih elemenata van geografski koncentrisanih kapaciteta prerade, razvoj pilot postrojenja poput TdVib-a ili industrijskih linija poput Noveonovog modela ostaje operativni indikator spremnosti tehnologija za šire uključivanje u postojeće lance vrednosti.
