Recupero d'oro da rifiuti elettronici tramite lisciviazione autocatalitica

E-Waste: Problema globale o possibile risorsa?

Negli ultimi decenni l’uso di dispositivi elettronici è cresciuto in modo esponenziale, portando con sé una “ombra” ingombrante: i rifiuti elettronici (e-waste).

Questi ultimi includono dai telefoni ai computer, dalle schede di circuito stampato (PCB) alle componenti periferiche, e costituiscono una delle frazioni di rifiuto in più rapida crescita a livello globale.

Nel 2022 sono stati generati circa 62 milioni di tonnellate di e-waste e si prevede che la la produzione globale di questi rifiuti raggiungerà gli 82 milioni di tonnellate entro il 2030.

Dati i numeri, è chiaro che anche se ogni dispositivo elettronico contenesse solo decimi di grammo di oro e metalli preziosi, su larga scala il recupero di questi metalli potrebbe raggiungere quantitativi complessivi superiori a quelli disponibili in molte miniere naturali, dando origine ad una vera e propria "miniera urbana".

Tuttavia, dal punto di vista chimico l'estrazione dell’oro dai materiali dismessi rappresenta una sfida poiché esso è un metallo nobile e chimicamente inerte: Di conseguenza, il recupero di oro prevede l'utilizzo di reagenti aggressivi (tipicamente acqua regia e cianuri) e si concretizza in 3 fasi fondamentali:

• Ossidazione dell'oro.
• Stabilizzazione dell'oro ossidato mediante complessazione.
• Riduzione ad oro metallico.

Questi passi rientrano nel più generale processo di "lisciviazione", termine usato per indicare una serie di trasformazioni chimico-fisiche in cui un metallo viene solubilizzato selettivamente da una matrice solida mediante un solvente reattivo.

I metodi convenzionali, pur efficaci, presentano criticità ambientali e di sicurezza che ne limitano l’adozione su larga scala e difatti al giorno d'oggi meno del 23 % degli e-waste viene raccolto e riciclato in modo adeguato.

Lisciviazione convenzionale: acqua regia e processo al cianuro

Acqua regia

Un primo esempio di lisciviazione tradizionale dell’oro si basa sull’acqua regia, una miscela di acido cloridrico (HCl) e acido nitrico (HNO₃) in rapporto 3:1.

Dal punto di vista chimico, in questa miscela l’acido nitrico agisce da agente ossidante, mentre gli ioni cloruro prodotti da HCl stabilizzano l’oro ossidato formando il complesso tetracloroaurato [AuCl4]-

$$ \mathrm{Au^0 + 3\,NO_3^- + 6\,H^+ + 4\,Cl^- \rightarrow [AuCl_4]^- + 3\,NO_2 + 3\,H_2O} $$Pur essendo efficace, l’acqua regia ha diversi svantaggi pratici: genera gas tossici (NO₂ e Cl₂), è estremamente corrosiva e richiede impianti complessi per la gestione dei fumi e degli effluenti.

Cianurazione

Un altro metodo diffuso nella metallurgia dell’oro è la cianurazione, in cui l’oro viene ossidato in presenza di ossigeno e ioni cianuro (CN⁻):

$$ \mathrm{4\,Au^0 + 8\,CN^- + O_2 + 2\,H_2O \rightarrow 4\,[Au(CN)_2]^- + 4\,OH^-} $$Il complesso dicianurato [Au(CN)₂]⁻ è altamente solubile, ma il cianuro è estremamente tossico per gli organismi viventi e presenta rischi sostanziali per l’ambiente e la salute umana.

Per questo motivo, l’uso del cianuro in processi di riciclo è fortemente regolamentato e limitato in molti paesi del mondo.

Inoltre, entrambi i processi predentati, pur essendo efficaci per metalli contenuti nei minerali primari, sono difficili da applicare in modo sicuro e sostenibile ai rifiuti elettronici, a causa della loro composizione complessa e alla presenza di numerosi interferenti (si consideri ad esempio che, in uno smartphone, sono contenuti oltre 70 diversi elementi chimici).

Una nuova frontiera: lisciviazione autocatalitica per l’e-waste

Per affrontare queste problematiche,  recentemente un team di ricercatori del Guangzhou Institute of Energy Conversion dell’Accademia Cinese delle Scienze, in collaborazione con la South China University of Technology hanno sviluppato un nuovo metodo, rapido, a basso costo e più sostenibile dal punto di vista ambientale, in grado di estrarre oro da dispositivi elettronici dismessi in meno di 20 minuti e a temperatura ambiente.

Secondo il team di ricerca, il processo presenta costi di recupero dell’oro pari a circa un terzo rispetto alle tecnologie attualmente impiegate nell’industria, rendendolo il metodo di estrazione dell’oro da e-waste più conveniente finora riportato in letteratura scientifica.

Principio generale del metodo

La strategia indagata si basa su una lisciviazione autocatalitica, in cui l’oro metallico e altri metalli preziosi presenti nei rifiuti attivano il processo di dissoluzione, eliminando la necessità di reagenti corrosivi o catalizzatori esterni.

Il sistema utilizza una soluzione acquosa di perossimonosolfato di potassio (PMS, HSO₅⁻) e cloruro di potassio (KCl). 

Il perossimonosolfato è un ossidante relativamente blando se confrontato con i reagenti dei processi tradizionali, ma può essere attivato in modo selettivo dalla superficie metallica dell’oro.

In assenza di oro metallico, il PMS è stabile. In presenza di oro, il PMS si decompone, producendo ossigeno singoletto (¹O₂) come specie ossidante dominante che reagisce selettivamente con l'oro portandolo in soluzione, dove è stabilizzato per complessazione con gli ioni cloruro.

Qui sotto è riportato il dettaglio del meccanismo chimico del metodo.

Attivazione dell’ossidante

La superficie di oro metallico catalizza la decomposizione del perossimonosolfato:

$$ \mathrm{HSO_5^- \xrightarrow{} {}^1O_2 + SO_4^{2-} + H^+} $$L’ossigeno singoletto (¹O₂) è una forma di ossigeno molecolare caratterizzata da un livello di energia elettronica più elevato rispetto all’ossigeno tripletto di stato fondamentale, e reagisce con l’oro metallico con maggiore selettività rispetto ai radicali solfato o ossidrile.

Ossidazione dell’oro

Una volta formato, il ¹O₂ ossida l’oro metallico:

$$ \mathrm{2Au^0 + {}^1O_2 \rightarrow Au^{+} + Au^{3+} } $$

L’ossidazione non è istantanea, ma procede in seguito ai siti attivati sulla superficie metallica, con la formazione di specie di stato di ossidazione più elevato.

Complessazione

Gli ioni cloruro presenti in soluzione complessano prontamente l’oro ossidato, stabilizzandolo sotto forma di complesso tetracloroaurato:

$$ \mathrm{Au^{3+} + 4\,Cl^- \rightarrow [AuCl_4]^-} $$In questo modo, l'oro si accumula in fase liquida.

Riduzione del complesso tetracloroaurato

Per ottenere nuovamente oro metallico è necessario un passaggio di riduzione.

Nello studio, questo viene effettuato mediante un riducente blando come l’acido ascorbico.

$$ \mathrm{2\,[AuCl_4]^- + 3\,C_6H_8O_6 \rightarrow 2\,Au^0 + 3\,C_6H_6O_6 + 8\,Cl^- + 6\,H^+} $$L’oro precipita sotto forma di particelle metalliche ad alta purezza, che possono essere facilmente recuperate per filtrazione.

Efficienza 

I ricercatori hanno osservato che il metodo è applicabile a matrici industriali, consentendo di raggiungere un’efficienza di lisciviazione dell’oro superiore al 98,2% a partire da unità di elaborazione centrali (CPU) di scarto e da circuiti stampati (PCB), insieme a un tasso di recupero del palladio pari al 93,4%.

In termini pratici, ciò significa che il trattamento di appena 10 chilogrammi di schede elettroniche dismesse permette di ottenere circa 1,4 grammi di oro, con un costo totale di processo di circa 60 euro. Questo corrisponde a un costo di circa 1200 euro per oncia, un valore nettamente inferiore ai prezzi attuali di mercato, attorno ai 3820 euro per oncia.

Oltre al significativo vantaggio economico, il nuovo processo presenta importanti benefici energetici e ambientali: consuma circa il 62,5% di energia in meno rispetto alle tecniche convenzionali e riduce i costi dei reagenti di oltre il 93% rispetto ai metodi basati su cianuri.

Infine, un ulteriore aspetto cruciale riguarda la gestione dei rifiuti: il processo genera una quantità drasticamente inferiore di rifiuti secondari, come fanghi tossici. Dopo la fase di lisciviazione infatti, i metalli disciolti possono essere recuperati attraverso semplici passaggi di riduzione e purificazione, consentendo di ottenere oro ad elevata purezza.

Conclusione

La lisciviazione autocatalitica rappresenta un vero cambio di paradigma nella chimica del recupero dei metalli preziosi da rifiuti elettronici. Non si tratta solo di un metodo più efficiente o più economico, ma di un approccio che sfrutta le stesse proprietà chimiche dei materiali target per attivare processi di recupero più delicati, selettivi e sostenibili.

In un contesto globale segnato da una crescita accelerata dell’e-waste e da una necessità sempre maggiore di risorse critiche, questa tecnologia potrebbe segnare un passo importante verso processi di riciclo intelligenti, meno impattanti e più vicini ai principi della chimica verde.