短路电子垃圾危机

你的智能手机开始生活，整齐地装在一个精心设计的盒子里。它很可能会以一种更不光彩的方式结束自己的日子。

假设它最终没有在垃圾抽屉里嘎嘎作响，它很可能会和其他家庭垃圾一样进入垃圾填埋场，在那里它会慢慢地将有毒化学物质渗入土壤和水中。或者更糟的是，手机可能会被运往另一个国家，在那里，低收入工人会手动将手机拆开，找回有价值的东西，然后烧掉或掩埋剩下的东西，在这个过程中，他们的健康以及整个社区的健康都处于危险之中。与此同时，矿工们继续掠夺地球上的金属和矿物，以满足我们对新设备无法抑制的渴望。

自然展望的一部分:循环经济

电子垃圾所带来的问题只会越来越大。“这是增长最快的垃圾流，”澳大利亚悉尼新南威尔士大学专门从事电子垃圾管理的工程师巴勃罗·迪亚斯说。根据联合国培训研究所支持的“全球电子垃圾监测”项目，2019年人们处理了5360万吨电子垃圾，预计到2030年，这一数量将增加近40%¹．

加州大学欧文分校的公共卫生研究员Oladele Ogunseitan认为情况正在开始改变。他说:“我们制造了足够多的噪音，制造商无法再忽视它了。”电子产业的循环也有很多机会。这些设备中所含的贵金属和稀有金属几乎可以无限重复使用，而使其更容易回收的新兴技术可能会大大减少对采矿的需求。在可回收和可生物降解电路板方面的并行进展可以消除电子产品中更有毒的成分，让消费者可以毫无愧疚地丢弃废弃的设备。

加拿大Polytechnique Montréal专门研究电活性材料的化学家克拉拉·桑塔托(Clara Santato)说:“这是一个停止将其视为废物的机会。”但要让电子产品更加可持续，还需要整个行业进行更彻底的变革，也需要渴望电子产品的消费者进行更彻底的变革。

被扫到地毯下

电子垃圾是一个由各种各样的电气设备组成的类别，其材料的形式和功能也各不相同。据估计，在电子垃圾中可能发现多达69种不同的化学元素¹．英国格拉斯哥大学的电子工程师Jeff Kettle说:“我们研究了10种不同的智能手机印刷电路板，发现材料含量的变化相当显著。”

硅、铁和铜等标准的组成部分通常由更奇特的元素组成。其中包括高导电性的贵金属，如铂和金，以及稀土元素，如钕，它们具有独特的磁性和电学性质。尽管在地质上并不罕见，但这些元素在物流上很难获得，主要来自少数几个国家——最引人注目的是中国。一些设备还含有铅和镉等重金属，严重威胁人类和环境健康。

电子垃圾中含有大量这些难以找到的元素。如果可以有效地将有用的材料与无用的材料分开，那么垃圾就可以成为一座金矿，无论是字面上还是比喻上。爱荷华州艾姆斯国家实验室的材料科学家Ikenna Nlebedim说:“当你在矿石中发现稀土时，它们是百万分之一，而当你在磁铁中发现稀土时，它们是百分比。”这些回收元素的质量也得到了保证:它们已经被认为适合用于电子产品。同样，据估计，电子垃圾中的贵金属含量可能是开采矿石中的50倍。

《全球电子垃圾监测》报告称，截至2019年，全球只有约17%的电子垃圾在产生国得到了适当的管理和回收¹(参见“数字垃圾场”)。其余的几乎无法解释，可能会被扔进当地的垃圾填埋场，浪费宝贵的材料，造成持久的环境破坏。但其中相当一部分被转移到亚洲、非洲和拉丁美洲国家。虽然很难获得可靠的数据，但位于华盛顿州西雅图的环境监督机构巴塞尔行动网络(Basel Action Network)在2016年进行的一项监测研究发现，原定从美国回收的电子垃圾中，多达40%可能会出口²．

Ogunseitan发现了回收利用在美国没有兴起的几个原因。他说:“从经济上讲，很难获得大利润，而且我们有很多环保法律，把那些容易拆除和排放废气的工厂拒之门外。”许多地区还缺乏有效的家庭和商业电子垃圾回收系统。因此，这些垃圾最终会被运往加纳、越南、巴西和其他国家，在这些国家，非正式的回收网络手工剥离了一船又一船的废弃电子产品。电子垃圾出口受到1992年生效的联合国《巴塞尔公约》的严格限制。但美国从未批准该公约。其中也存在重大漏洞——例如，一些出口商将电子垃圾误称为捐赠。

对这些国家的一些人来说，非正式回收已经成为一种重要但危险的生计来源。迪亚斯说:“人们手动取出更有价值的东西，比如印刷电路板、硬盘驱动器和内存，然后把它们送回高收入国家进行进一步处理。”剩下的被烧毁或堆在地上，造成了持续的公共卫生灾难。2012年的一项研究显示，中国一个农村电子垃圾处理社区的居民患肺癌的可能性比附近大城市广州的居民高60%^3.．这是由于吸入了电子垃圾焚烧后释放到空气中的有毒废物副产品。

一些国家已经成功推动了变革——在遭受了几十年的破坏后，中国在2018年至2021年期间开始拒绝所有进口固体废物。但这最终导致浪费被转移到其他地方，问题的范围仍然令人生畏。

复苏时机成熟

一种被称为“城市采矿”的做法提供了一种解决方案，可以改善电子垃圾的管理，并激励各国保留和处理其残余物，而不是掩埋、焚烧或出口。这涉及化学或物理过程，将电子垃圾中的贵金属或稀土元素从有毒或没有价值的材料中分离出来。

目前在城市采矿中主要有两种方法。火焰冶金法是将预处理过的废料加热到极高温度(通常超过1000℃)，以燃烧塑料和其他不需要的材料，并产生熔融贵金属的混合部分，然后进行提纯。“缺点是这些方法都是能源密集型的，”Nlebedim说。作为替代方案，一些工厂使用强酸来溶解电子垃圾中的金属。Nlebedim指出，尽管这种湿法冶金方法能源消耗较少，但它对环境有负面影响，会产生含酸的有毒污泥和大量废水。

城市采矿活动目前在世界范围内为数不多的设施中进行。但利润率可能很低，这限制了该行业的增长。迪亚斯说:“他们需要非常大的产量才能盈利，所以其他小公司很难进入并与他们竞争。”与城市采矿相关的成本——如预处理、金属净化和废物管理——迅速增加，可能会使成本等式回到有利于传统采矿的位置。“你不能告诉别人，‘我的是回收的，每公斤多花10美元买，’”Nlebedim说。幸运的是，目前正在开发的方法——包括一些即将商业化的方法——可能会使平衡向有利于回收的方向倾斜。

例如，德克萨斯州休斯顿莱斯大学的合成化学家詹姆斯·图尔(James Tour)已经将一种被称为闪光焦耳加热的技术应用于快速、低成本的电子垃圾处理。闪光焦耳加热使材料受到强烈的能量冲击，使其达到使金属汽化的温度，这样腔室中只剩下碳。但与火焰冶金术不同的是，这种方法加热的时间非常短——通常只有几百毫秒。由此产生的金属蒸汽可以在真空下提取，并通过冷却进行冷凝。闪光焦耳加热具有明显的经济吸引力:每吨废物的成本约为12美元，所需的能源和水最少。

在最初的演示中，这种方法回收了电子垃圾样本中80%以上的贵金属，如钯和银⁴，同时还可以轻松分离汞和铅等有毒化合物。图尔说:“即使按照加州的标准，剩余的土壤也足够干净，可以用作农业土壤。”他和他的同事们现在正试图将这项技术授权给公司，用于城市电子垃圾的挖掘。

Nlebedim和他的同事已经开发了一种替代的无酸湿法冶金方法，用于回收硬盘驱动器和电机中常见的永磁体中的稀土元素⁵．研究人员确定了反应条件，其中有价值的磁性成分在中性pH值下选择性溶解，而其他材料完好无损，这意味着在回收前只需进行最少的处理。溶解的稀土元素随后可以从溶液中提纯，得到足够质量的材料，可以在电子产品中重复使用。总部位于爱荷华州布恩的一家名为TdVib的制造公司正在将这项技术商业化，该公司的第一家试点工厂有望在2022年底全面投入运营。TdVib首席执行官丹尼尔•比纳在9月底表示:“我们目前一次生产800公斤的批次，未来几个月将扩大到约8000公斤的批次。”

不浪费

并不是所有的东西都可以轻易回收，但有机会创造出“绿色电子产品”，可以以更环保的方式生产和处理。里斯本新大学的材料科学家罗德里戈·马丁斯相信，现代硅基设备的许多功能有朝一日可以用对地球友好的替代品来复制，最终消除对稀缺金属、不可生物降解塑料或能源密集型制造业的需求。

传统电路板是用不可生物降解的玻璃纤维制成的，通常还掺有潜在有毒的阻燃化合物。马丁斯的团队正在研究一种更环保的纸基板。2011年，马丁斯和他的合作者兼妻子埃尔维拉·福尔图纳托(Elvira Fortunato)描述了一种基于纸张的互补金属氧化物半导体(CMOS)器件⁶——现代集成电路的核心部件。该装置中的导电材料基于氧化锌，而不是通常使用的硅，使用这种物质或其他金属氧化物可以大大降低与制造相关的成本和温室气体足迹。

马丁斯的团队继续开发高效和可重复打印纸质设备的技术，并正在探索使用替代材料——包括石墨烯与常见金属(如铋和钼)的组合。他指出，随着性能的提高，设备会变得更小，这就带来了额外的优势。马丁斯说:“这意味着到目前为止，我消耗的原材料数量减少了。”“而且我可以使用丰富且无毒的材料。”

其他研究小组正在探索各种替代性的可生物降解电路板组件。例如，Ogunseitan和他的长期合作伙伴约翰尼·林肯(Johnny Lincoln)正在研究基于亚麻和亚麻籽油衍生环氧树脂的电路板的商业可行性，他们在2008年首次展示了这种电路板。约翰尼·林肯在加州圣安娜创立了Axiom Materials，是一家复合材料制造商⁷．Santato的团队正在研究用黑色素取代硅基半导体的可能性，黑色素是一种天然衍生的色素，能够有效地进行电子传递。今年，Santato的团队已经证明了黑色素基薄膜几乎可以与更成熟的有机半导体性能相媲美⁸．虽然它们目前的黑色素来源是墨鱼墨水，但桑塔托指出，她可以从食物垃圾中获得这种物质。

今年7月，英国正式启动了绿色能源优化印刷Transient集成电路(GEOPIC)计划，该计划由格拉斯哥大学的Ravinder Dahiya领导，Kettle也是该计划的研究员，该计划汇集了学术界、政府和行业专家，以使电路板生产更具可持续性。凯特尔说:“GEOPIC致力于开发生物可降解集成电路、生物可降解衬底、生物可降解互连电路等。”这不会解决可持续发展问题的所有方面，但从长远来看，可能会导致更绿色的制造工艺，并大大减少电子垃圾。

在短期内，这些可生物降解的元件能在多大程度上颠覆电路板现状仍是一个悬而未决的问题。“你必须在性能上妥协，”凯特尔说。柔性和可堆肥的基材，如亚麻或纸，本质上更容易受到湿气或热的损坏，使用它们的设备在设计时必须考虑到这一限制。桑托托认为，材料科学家要找到许多稀有金属的环保替代品还有很长的路要走。“目前，”她说，“你无法用有机或碳基导体达到黄金、铂或钯的导电性。”

然而，可回收或可堆肥的电子产品可能会在短期使用的设备中变得非常宝贵，或者在可穿戴设备或环境传感器等窄用途设备中变得非常宝贵，这些设备不需要满足与智能手机中处理器相同的严格性能标准。从马丁斯的角度来看，这种电子产品可以用于监测水质或食品安全，或制造低成本显示器，而不会有意无意地增加地球的电子垃圾负担。

创造文化转变

许多致力于电子垃圾问题的研究人员惊喜地发现，商业部门有热情的合作伙伴。例如，Ogunseitan正在进行一项由微软资助的研究，Tour表示，他正在定期与公司联系，以尽量减少与保持其IT基础设施最新相关的影响。图尔说:“服务器群每三年就会发生变化，你会得到堆积如山的印刷电路板。”他解释说，这些设施“不知道如何处理所有这些有毒废物”。

更多信息来自《自然展望》

但更激进的措施可能是必要的，包括更严格的监管。迪亚斯认为，严格禁止填埋电子垃圾是关键的第一步。“回收的最大竞争对手是垃圾填埋场，”他说。随着这一选择的取消，竞争将转向提供最具成本效益的回收服务。迪亚斯进一步强调，这一步骤还必须与更严格的监测和执行出口限制相结合，以防止电子垃圾从高收入国家大量涌入低收入国家。

制造商也应该采取促进循环的做法。桑托托说:“需要有一个非常明确的‘生命终结’政策，生产商可以收回产品。”一些设备制造商已经在这么做了;例如，总部位于阿姆斯特丹的智能手机制造商Fairphone报告称，他们在2021年回收了与销售给消费者的手机数量相同的手机。模块化电子设备设计为易于拆卸和维修，也可以通过使分解或维修损坏或过时的设备更容易和更便宜来激励回收利用。

但消费者也需要发挥自己的作用——尤其是在高收入国家，在这些国家，每隔几年更换智能手机等高端电子设备已变得更为常见。迪亚斯说:“我们经常认为回收利用是一种灵丹妙药，但事实并非如此。“减少应该是首要目标。”制造商的计划淘汰是问题的一部分，但解决这个问题还需要公共教育和政策，以提高公民意识和环境意识。迪亚斯说:“我们可以拥有一种神奇的设备，它可以使用四五年，仍然有良好的生活。”“我们不会像我们认为的那样放弃那么多。”