Извлечение германия из отходов: передовые методы для максимального выхода

Германий — невоспетый элемент, который помог запустить эру транзисторов, а сегодня он питает оптоволоконные сети, инфракрасные камеры и современные солнечные элементы. Поскольку спрос на германий растет, поиск способов его извлечения из лома и отходов становится все более важным. 

В этой статье мы расскажем, как происходит переработка германия, и расскажем о передовых методах максимального увеличения его выхода.

Что такое германий и почему он важен

Германий — редкий металлоидный элемент (символ Ge) с уникальными свойствами, которые делают его незаменимым в современной технике. Он был одним из первых материалов, использовавшихся для создания транзисторов в середине 20-го века, проложив путь для сегодняшней электроники. 

В настоящее время германий используется в волоконно-оптических кабелях, инфракрасных системах ночного видения, полупроводниковых чипах и высокоэффективных солнечных элементах — важнейших компонентах цифровой эпохи.

В отличие от обычных металлов, таких как медь или железо, германий не добывается напрямую из специальной руды. Вместо этого его обычно получают как побочный продукт при очистке других материалов. 

Например, значительные объемы германия извлекаются при переработке цинковых руд и даже угля. 

Поскольку он встречается только в следовых количествах – часто всего несколько частей на миллион – германий остается редким и относительно дорогим. Фактически, недавнее давление на предложение привело к тому, что цены на германий достигли $4335.60 за килограмм по состоянию на май 2025 года.

Поэтому переработка германия стала приоритетом как для производителей техники, так и для переработчиков. Около 30% мировых поставок германия теперь поступает из переработанных источников , включая лом электроники и волоконной оптики. 

Каждый раз, когда изготавливается оптическое волокно или шлифуется линза прибора ночного видения, остаются остатки и отходы, которые все еще содержат пригодный для использования германий. 

Вместо того, чтобы позволить этим ценным отходам оказаться на свалках, компании могут извлечь германий и вернуть его в оборот. Это сохраняет природные ресурсы и помогает стабилизировать поставки в условиях геополитических рисков.

Традиционные методы извлечения германия

Исторически германий извлекался с использованием основных металлургических технологий, заимствованных из других отраслей промышленности. 

Распространенными были два подхода:

Пирометаллургия (высокотемпературная обработка)

Этот подход использует тепло (плавку или обжиг) для разделения металлов. На цинковых плавильных заводах или угольных электростанциях германий имеет тенденцию концентрироваться в летучей золе или дымовой пыли, а не в основном металле. Эту пыль можно собирать и обрабатывать далее для извлечения германия. 

Например, пыль можно обработать, чтобы получить летучее соединение германия, которое затем отгоняют и превращают в чистый германий. 

Пирометаллургия хорошо подходит для крупномасштабного восстановления, но потребляет много энергии и может быть менее селективной — часть германия может остаться в остаточном шлаке, если условия неидеальны.

Гидрометаллургия (химическое выщелачивание)

Этот подход использует жидкие химикаты для растворения германия из материала. Например, выщелачивание дымовой пыли или золы сильными кислотами может перевести германий в раствор. 

После растворения германий можно отделить от других элементов такими методами, как осаждение (превращение его в твердый диоксид германия) или экстракция растворителем (использование специальных органических жидкостей, которые извлекают германий). 

Гидрометаллургия позволяет более селективно извлекать при более низких температурах, чем пирометаллургия. Однако избежать потерь может быть сложно — если присутствуют другие примеси (например, железо или кремний), они могут унести с собой некоторое количество германия во время осаждения, что снизит общий выход.

Передовые методы повышения выхода

Современные проблемы, такие как низкосортные источники и повышенное внимание к экологической устойчивости, привели к появлению передовых методов извлечения германия. 

Исследователи и инженеры совершенствуют как пирометаллургические, так и гидрометаллургические процессы, а также изучают совершенно новые методы. 

Вот некоторые заметные достижения, выводящие добычу германия на новый уровень:

Селективное выщелачивание и интеллектуальные адсорбенты

Достижения в области химии сделали извлечение германия более эффективным и селективным. Новые формулы выщелачивания (включая органические кислоты и специально подобранные окислители) могут растворять германий из стойких материалов более полно, чем раньше. 

Попав в раствор, специализированные адсорбенты и ионообменные смолы захватывают ионы германия, игнорируя множество примесей. Эти инновации означают, что при обработке теряется меньше металла, а извлеченный германий становится чище, что повышает общий выход.

Улучшение процесса (ультразвук)

Инженеры улучшили восстановление, изменив условия процесса. Одним из примеров является использование ультразвуковых волн во время выщелачивания, что помогает разбить частицы, которые в противном случае захватили бы германий и не допустили бы его попадания в раствор. 

Ультразвук по сути обеспечивает хорошее распределение смеси на микроскопическом уровне, благодаря чему больше германия остается доступным для извлечения.

Биовыщелачивание: микробы за работой

Вместо того, чтобы полагаться на высокие температуры или сильные кислоты, биовыщелачивание использует микроорганизмы для извлечения металлов. Определенные бактерии способствуют реакциям, которые растворяют германий из руды или отходов. Этот подход щадит окружающую среду и может быть идеальным для низкосортных источников.

Компромисс заключается в скорости — микробам могут потребоваться недели, чтобы сделать то, что химический процесс делает за часы. Тем не менее, биовыщелачивание может извлечь значительное количество германия, и по мере совершенствования технологии оно может превратить низкосортные отходы в жизнеспособный источник германия.

Каждый из этих передовых методов решает конкретные проблемы в извлечении германия. Некоторые из них фокусируются на улучшенной химии (например, селективные выщелачивающие агенты и специальные адсорбенты), в то время как другие используют физические средства (звуковые волны) или биологические помощники (бактерии). 

На практике наилучшие результаты часто достигаются при комбинировании методов. 

Например, реальный процесс может начинаться с улучшенного выщелачивания или биовыщелачивания для растворения как можно большего количества германия, затем использовать адсорбент или экстракцию растворителем для извлечения германия из жидкости и, наконец, использовать этап очистки для получения высокочистого оксида германия. 

При использовании этих инноваций в многослойной обработке современные процессы позволяют извлекать гораздо больше германия, чем старые методы, даже из материалов, которые когда-то считались слишком низкосортными, чтобы с ними возиться.

Извлечение германия из электронных отходов: проблемы и возможности

Помимо добычи и промышленных побочных продуктов, захватывающим рубежом для восстановления германия являются электронные отходы (e-waste). Различные выброшенные устройства и компоненты содержат германий, в том числе:

Волоконно-оптические кабели

Многие современные сети связи используют оптоволоконные кабели, содержащие диоксид германия в стеклянных сердечниках для улучшения качества сигнала. При модернизации телекоммуникационной инфраструктуры или повреждении оптоволоконных кабелей старое волокно можно обработать для извлечения германия.

Инфракрасная оптика

Германий — это популярный материал для инфракрасных линз камер и очков ночного видения. Военные и охранные устройства часто включают в себя германиевые линзы или окна. 

Когда такое оборудование выводится из эксплуатации или старые автомобильные системы ночного видения утилизируются, эта богатая германием оптика может быть утилизирована и переработана в новые продукты .

Полупроводники и солнечные панели

В некоторых специализированных электронных приборах используется германий. Высокопроизводительные полупроводниковые чипы иногда включают германий (например, в сплавах кремния и германия), а усовершенствованные многопереходные солнечные элементы часто имеют германиевые пластины в качестве подложки. 

После изготовления или окончания срока службы этих устройств любые компоненты, содержащие германий (например, отработанные пластины или сломанные солнечные панели), можно собрать для переработки.

Переработка германия из электронных отходов сопряжена с рядом уникальных проблем.

Во-первых, концентрации низкие. 

В стеклянном сердечнике оптоволоконного кабеля может быть всего несколько процентов германия, а большинство электронных компонентов имеют еще меньшие следы. Это означает, что переработчики должны перерабатывать большие объемы материала или сосредоточиться на сборе предметов с высоким содержанием германия, чтобы сделать восстановление финансово выгодным. 

В таких случаях особенно полезны передовые методы экстракции, поскольку они позволяют извлекать германий, даже если он присутствует в небольших количествах.

Еще одной проблемой является сложная смесь материалов в электронных отходах. 

Извлечение германия часто требует дополнительных шагов. Например, растворение оптоволоконного стекла для освобождения германия или извлечение германиевой линзы из устройства, чтобы ее можно было переработать отдельно. Эти усилия увеличивают рабочую нагрузку, но они необходимы для изоляции металла для переработки.

С другой стороны, существуют многообещающие возможности для стимулирования переработки германия.

Стремление к экономике замкнутого цикла и новые правила обращения с электронными отходами приводят к растущей поддержке идеи восстановления металлов, таких как германий. 

Не говоря уже о том, что цена на германий выросла в последние годы , что делает переработку более экономически привлекательной. Компании, которые инвестируют в утилизацию германия из своих отходов, могут получить финансовую выгоду и продемонстрировать лидерство в области устойчивого развития. 

Для производителей техники создание программы переработки германия также служит формой страхования поставок. Это создает небольшой, но важный независимый источник германия, который может помочь защититься от будущих сбоев.

Максимизация ценности и ваши следующие шаги по извлечению германия

Германий, возможно, и не так популярен в новостях, как золото или медь, но он является краеугольным камнем нашего мира высоких технологий. 

Извлечение этого металла из лома является жизненно важной частью обеспечения будущих поставок. Традиционные методы дали нам старт, но современные технологии теперь открывают гораздо больше ценности из источников, которые когда-то считались слишком мелкими или сложными, чтобы с ними возиться.

Для предприятий, имеющих дело с ломом, содержащим германий, эти материалы явно представляют неиспользованную ценность.

Источник: https://www.scrapgators.com/germanium-recovery-advanced-techniques-for-maximum-yield/