Elektronica-afval zit vol kostbare materialen. Met slimme technieken zijn die eruit te halen

„Bij het ontwerpen van spullen al rekening houden met hergebruik van de materialen aan het einde van de levensduur moet je helemaal niet doen.” De wenkbrauwen van de verslaggever gaan even omhoog. Dit lijkt een opmerkelijke uitspraak uit de mond van een hoogleraar recycling. Peter Rem vervolgt: „Als de recyclingtechnologie maar geavanceerd genoeg is, dan is dat helemaal niet nodig.”

We staan bij een testopstelling in het recyclinglab van de TU Delft. Hier wordt aan geavanceerde recyclingtechnologie gewerkt. Vandaag is er een experiment gaande dat moet uitwijzen of uiteenlopend elektronica-afval goed kan worden gescheiden met behulp van een magneet en ferro-magnetische vloeistof. Magnetische dichtheidsscheiding heet de techniek. Het wordt al op grote schaal gebruikt in een plasticverwerkingsfabriek, of het voor elektronica-afval ook nuttig kan zijn moet nog blijken.

Hoogleraar Peter Rem, die even langs komt lopen onderweg naar een vergadering, kijkt verheugd hoe promovendus Max van Beek voorzichtig enkele handen vol kleine stukjes elektronische onderdelen in een bak met ferro-magnetische vloeistof laat glijden. De vloeistof is zwart en volkomen ondoorzichtig. Eenmaal in de bak zijn alleen nog wat onregelmatigheden aan het oppervlak te zien op een paar plekken waar de elektronica door de bak beweegt. Pas als de vloeistof met een dompelpomp weer uit de bak is gehaald, kunnen we zien of de elektronica mooi soort bij soort terecht is gekomen.

Een product van 100 euro, of het nou om elektronica gaat of om een schoen, daar zit voor 4 à 5 euro aan materiaal in

Peter Rem hoogleraar recycling

„Een product van 100 euro, of het nou om elektronica gaat of om een schoen, daar zit voor 4 à 5 euro aan materiaal in”, zegt Rem enkele weken later in een gesprek via Teams. „Dat is weinig. Als je het ontwerp voor die schoen zou wijzigen om een stukje van die 5 euro beter terug te winnen, maar de functionaliteit daarbij voor 2 procent vernielt, dan gebeuren er eigenlijk al vreselijke dingen.” Slechtere functionaliteit leidt tot eerder afdanken, om maar iets te noemen. „De risico’s zijn groot en wat je wint is vaak maar klein. Mensen zijn zich meestal niet bewust van die enorme verhouding.”

Goede recycling is nodig. Veel grondstoffen zijn schaars, bij ‘verse’ winning zijn niet zelden milieu en mensen in het geding, en er is de CO₂-uitstoot die bij de productie van materialen komt kijken. Maar succes van recycling is vooral een kostenkwestie: als kwalitatief gerecyclede grondstoffen duurder zijn dan verse grondstoffen dan kiezen fabrikanten bijna altijd voor verse grondstoffen – de bezwaren ten spijt.

Goedkoop en kwalitatief scheiden kan met behulp van magneten, menen ze in Delft. Het idee voor magnetic density separation (MDS) zoals het in de vakliteratuur is gaan heten, komt uit de koker van Rem, die er nu bijna twee decennia aan werkt. Scheiden gebeurt door een bak met ferromagnetische vloeistof – de diepzwarte motorolieachtige vloeistof met nanodeeltjes ijzeroxide – boven een magneet te plaatsen.

De magneet is ingenieus samengesteld. Hij bestaat uit verschillende parallelle magneten die zo zijn uitgelijnd dat er een breed magneetveld boven ontstaat dat naar boven minder sterk wordt. De dichtheid van de ferromagnetische vloeistof neemt dezelfde gradiënt aan als het mageetveld. Dit is cruciaal voor het scheidingsproces: materialen van vergelijkbare dichtheid gaan op dezelfde plek in de magnetische vloeistof hangen, op hun zogenaamde evenwichtspositie, en zijn dan makkelijk groepsgewijs eruit te halen.

In het lab van Rem is jaren terug al bewezen dat de methode voor plastic goed werkt. Vooraf wordt het plastic tot snippers gemalen en gewassen. Dan gaan de snippers in de bak met ferromagnetische vloeistof. Door de vloeistof te laten stromen drijven de plasticdeeltjes elk op hun eigen hoogte naar het einde van de bak. Op elke hoogte is een bakje bevestigd, waarin de plasticdeeltjes per soort keurig gesorteerd terechtkomen.

Onderdelen uit zonnepanelen

Inmiddels draaien bij afvalscheider Umincorp – voortgekomen uit Rems onderzoeksgroep, TU Delft is aandeelhouder – grote installaties die plastic snippers PP, HDPE, PS en PET afleveren. De snippers zijn van vergelijkbare kwaliteit als ‘verse’ plastic grondstoffen, verkondigt Umincorp trots op haar website.

De magneetmethode is voor meer materialen geschikt. In het Europese onderzoeksproject Peacoc wordt bijvoorbeeld gekeken of de scheidingsmethode nuttig kan zijn voor het recyclen van onderdelen uit zonnepanelen. Afvalscheiders vinden het een heel interessante manier om non-ferrometalen zoals lood, zink en aluminium te scheiden, vertelt Rem. „Die vormen nu een ongelukkige stroom.”

Zelf richt hij zijn pijlen nu op elektronica-afval, e-waste. In Nederland is de hoeveelheid afgedankte elektrische en elektronische apparatuur hoog ten opzichte van de landen om ons heen: in 2019 ging het om 21,6 kilogram per hoofd van de bevolking per jaar, schrijft de Inspectie Leefomgeving en Transport. Niet alle onderdelen van dit elektronica-afval zijn op dit moment de inspanningen waard om zorgvuldig te recyclen. Maar in veel apparatuur zit bijvoorbeeld een beetje goud en koper, dat zijn kostbare materialen.

„Bij elektronica is het probleem dat de onderdelen op een heel complexe manier aan elkaar verbonden zijn”, zegt Rem. „Er zijn bovendien honderden verschillende materialen en die zitten in onderdelen van allerlei groottes.”

Alles de hakselaar in en daarna gaan scheiden is een optie, maar geen slimme. „Het is te kostbaar om dit zo ver door te shredderen dat het individuele materialen worden. Alles smelten en dan het goud eruit halen is ook te duur”, zegt Rem.

Een onderzoekgroep aan de universiteit van Luik bedacht een manier om verschillende componenten los te krijgen van de printplaat door het soldeer op te lossen. Een belangrijke stap, waarop Rem kon voortbouwen. „Zij liepen toen vast. Maar wij zijn juist goed in die stap daarna: het sorteren van de componenten. Weerstandjes, condensatoren, CPU’s, chips.”

Anders gezegd: scheid de onderdelen die geen goud bevatten van de onderdelen die wel goud bevatten. „De componenten met goud kun je vervolgens smelten en het goud terugwinnen. Door de 90 procent componenten waar geen goud in zit af te scheiden van de componenten waar het wel in zit, worden de kosten van de smelt tien keer lager.”

Het gaat om aanzienlijke kosten: smelten van printplaten met het doel om koper terug te winnen kost nu zo’n 600 euro per ton afval.

Duizend soorten chips

Hoewel het scheiden van de onderdelen met dezelfde magneettechniek gebeurt, werkt het toch iets anders dan het scheiden van plastic. Zo is de magneet onder de testopstelling in het lab schuin onder de horizontale bak geplaatst. „Het magnetisch veld is dicht op de magneet het sterkst, verder ervanaf wordt het steeds minder sterk”, zegt Lin Wang, postdoconderzoeker in de groep van Peter Rem, die samen met promovendus Van Beek het experiment met e-waste uitvoert. „Door de magneet onder een hoek te plaatsen en het bassin met de vloeistof horizontaal, verminderen we de effectieve dichtheid van de vloeistof over de lengte. Met andere woorden: het magneetveld wijst schuin naar voren.”

Het schuine magneetveld zorgt ervoor dat de stukjes afval die Van Beek er aan één kant in laat glijden, langzaam naar de andere kant van de bak bewegen, als zwemmers in een wedstrijdzwembad. Alleen halen ze geen van allen de overkant. De deeltjes met de hoogste dichtheid raken al snel na vertrek de bodem, de lichtere deeltjes komen verder.

Het is het tweede experiment dat Van Beek en Wang in deze opstelling uitvoeren. „De vorige keer probeerde ik een specifiek soort videopoort van andere videopoorten te scheiden. Dat lukte goed”, zegt Van Beek. „Dit keer zijn de onderdeeltjes kleiner, ik ben nu vooral geïnteresseerd in de chips. De chip zou meer metaal moeten bevatten, en die heeft daarmee een hogere dichtheid dan veel andere componenten die uit relatief veel plastic bestaan.”

De dichtheid van de verschillende soorten onderdelen is geen vaststaand gegeven, dat maakt het spannend of deze manier van scheiden zinvol zal blijken. „De dichtheid is wel relatief consistent, maar niet helemaal”, zegt Van Beek. „Dat komt doordat de componenten door verschillende fabrikanten zijn gemaakt. En net zoals je duizend verschillende soorten telefoons hebt, heb je ook duizend verschillende soorten computerchips.”

Het zou zomaar kunnen dat alles op een hoop terechtkomt

Max van Beek promovendus

Het is moeilijk voor te stellen dat wat hier gebeurt over enkele maanden opgeschaald zal worden tot een stroom waar een afvalverwerker iets mee kan. Alleen al de voorzichtigheid waarmee Van Beek de componenten in de bak laat glijden. De vloeistof mag niet te veel klotsen, anders raakt de elektronica misschien dankzij de turbulentie in de vloeistof de bodem in plaats van dankzij de dichtheid.

„Ook in een grotere setup moet klotsen voorkomen worden”, zegt Wang. „Het afval zal er gecontroleerd in moeten glijden.”

„We doen nu wel extra voorzichtig omdat we deze proef nog nooit eerder hebben gedaan, we willen alle dingen die kunnen interfereren uitsluiten”, zegt Van Beek. „Het zou zomaar kunnen dat alles op een hoop terechtkomt. Mocht dat gebeuren dan weten we zeker dat dat niet door turbulentie is gekomen.”

De uitvoering van het experiment bestaat voor een groot deel uit wachten tot de ferromagnetische vloeistof is overgepompt. Eerst moest het van een vat in de bak, nu het elektronica-afval in de bak zit moet de vloeistof weer in het vat. Van Beek en Wang worden stiller als de zwarte vloeistof zo ver is verdwenen dat de elektronica begint te verschijnen.

Een gigantische versie

Is Van Beek blij met wat hij ziet? „Ik denk het wel…” Van Beek en Wang blijven geconcentreerd naar de bak kijken.

„Volgens mij liggen de chips daar redelijk bij elkaar. En kijk, dit zijn condensators, die liggen ook relatief dicht bij elkaar. Het is niet slecht.” Van Beek begint de stukjes elektronica uit de bak te halen om ze later te kunnen wegen. De onderdeeltjes die zijn neergekomen tussen de 0 en 10 centimeter afstand vanaf het begin krijgen een eigen bakje, de stukjes uit het stuk tussen 10 en 20 centimeter een ander bakje, en zo verder. Voor vandaag blijft het hierbij.

De vindingen uit het lab van Peter Rem worden vaak verder richting de industrie gebracht dan gebruikelijk is bij universitair onderzoek. Vandaar ook het plan om binnenkort een gigantische versie van dit experiment hier uit te voeren. „We willen de techniek helemaal naar industriële grootte brengen”, zegt Rem in het Teams-gesprek. „Als we dat niet doen dan blijft het liggen, hebben we eerder gemerkt. Het is geen industrie die zulke risicovolle, soms langdurige en daarmee dure projecten graag uitvoert en dat vinden we zonde. Wij kunnen dit met Europees onderzoeksgeld en een industriële partner samen doen.”

Een scheidingsinstallatie kost doorgaans zo’n 50 tot 100 euro per ton verwerkt materiaal, dus er is een aanzienlijke winst te behalen ten opzichte van alles laten smelten. „Een ander voordeel is dat het edelmetaalgehalte soms gewoon te laag is om smelt te bekostigen”, zegt Rem. „Dan zou het dus verloren gaan als je niet voorsorteert.”

Het uiteindelijke doel dat Rem voor ogen heeft gaat verder dan alleen e-waste of plastic scheiden. Hij wil recyclingtechnologie maken die zo goedkoop is dat ook materialen die maar weinig voorkomen goed gescheiden kunnen worden. Nu zorgen juist zulke materialen voor problemen. Neem bioplastics. Die zijn met de beste wil van de wereld ontworpen – ze kunnen industrieel verwerkt worden tot compost – maar op dit moment is het ironische gevolg van de opkomst van bioplastic dat andere soorten plastic minder goed gerecycled worden.

„Een recycler wil bioplastic wel scheiden, maar als het maar voor anderhalf procent voorkomt dan moet hij een hoop investeren en krijgt hij er weinig voor terug”, zegt Rem. „Met zulke nieuwe materialen is het een kwestie van doorzetten. Op een gegeven moment is er genoeg bioplastic dat het wel uit kan. Maar dan is er waarschijnlijk al een nog nieuwer materiaal op de markt en blijft het probleem. Dit soort dingen betekent voor mij dat ik meer en meer op zoek ga naar technologie waar de kostprijs niet zoveel afhangt van de hoeveelheid materialen die je ermee scheidt.”

Hij droomt van een fabriek die plastic niet alleen scheidt op soort, maar vervolgens ook nog op kleur. Hoe specifieker de stroom, hoe waardevoller het is als grondstof voor nieuwe producten. „Als je maar ver genoeg scheidt, wordt alles een kleine stroom. Ik denk dat zo’n fabriek kan werken, als een algoritme de stroom beheerst en in de gaten houdt. Dat is heel raar en ongewoon, maar wij zijn heel gemotiveerd om een fabriek te bouwen die zo werkt.”

Van Beek mailt een paar dagen na het bezoek aan het lab. Twee grafieken, en een bondige boodschap: „Ik heb vandaag alles gewogen. De beoogde componenten waren goed gescheiden van de rest. Het experiment was zeer succesvol.”