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

18.11.2016 20:43:00

«Сейчас ко мне пришел Щербаков, злой, как черт, и сообщил, что банда этих механических идиотов (его собственные слова) сегодня ночью растащила один из крупных складов руды, приняв его, очевидно, за необычайно богатое месторождение. Программы у роботов были разные, поэтому к утру часть склада оказалась в пакгаузах ракетодрома, часть — у входа в геологическое управление, а часть вообще неизвестно где. Поиски продолжаются» (А. и Б. Стругацкие. Страна багровых туч). Хорошо было фантастам шутить о тупости роботов в не предвиденных программой обстоятельствах, а нам с этим жить.

>>
16.11.2016 20:39:00
Казалось бы, принадлежность к политической партии не должна сказываться на мнении о таком предмете, как глобальное изменение климата. Ан нет: американские социологи отмечают, что отношение к этой проблеме сегодня разделяет избирателей в той же степени, как отношение к абортам или свободной продаже оружия. >>
14.11.2016 20:35:00
...по результатам 21 исследования из 27, излучение на частотах, характерных для мобильных телефонов, негативно влияет на мужскую репродуктивную систему, в частности снижается подвижность сперматозоидов, увеличиваются производство активных форм кислорода и частота повреждений ДНК («Reproduction», 2016, doi: 10.1530/ REP-16-0126)... >>
11.11.2016 15:28:00

...Китай запустил «Тяньгун-2», свою вторую орбитальную лабораторию; пока она необитаема, но в ноябре туда отправятся два человека («Nature», 2016, doi: 10.1038/ nature.2016.20611)...

>>
29.10.2016 23:11:00

...создан биоробот в виде ската, плавники которого приводятся в движение светом; его тельце сделано из эластомера, а мышцы из клеток эмбрионов крысы («Science», 2016, 353, 6295, 158—162, doi: 10.1126/science.aaf4292)... 

>>