您的智慧手機在設計精美的包裝盒中開始其生命。 很可能它將以一種更不光彩的方式結束其生命。
假設它最終沒有在雜物抽屜裡嘎嘎作響，那麼它很可能會和您的其他家庭垃圾一起被送到同一個垃圾填埋場，在那裡它會慢慢地將有毒化學物質滲入土壤和水中。 更糟糕的是，它可能會被運往另一個國家，那裡的低收入工人會手動拆開手機，以回收任何有價值的東西，並將剩餘的東西燒掉或掩埋，從而使他們自己以及更廣泛社群的健康面臨風險。 與此同時，礦工們繼續掠奪地球上的金屬和礦物，以滿足我們對新電子產品永不滿足的渴望。
電子垃圾，或簡稱電子廢物，所造成的問題只會越來越大。“這是增長最快的廢物流，”澳大利亞悉尼新南威爾士大學專門從事電子廢物管理的工程師巴勃羅·迪亞斯說。聯合國訓練研究所支援的專案“全球電子廢物監測”顯示，2019年人們處理了5360萬噸電子垃圾，預計到2030年這一數量將增加近40%1。
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加州大學歐文分校的公共衛生研究員奧拉德勒·奧貢塞坦認為，情況正在開始發生變化。“我們發出的聲音足夠大，製造商們再也無法忽視它了，”他說。電子產業有充足的機會實現迴圈化。這些裝置中包含的珍貴且稀有的金屬幾乎可以無限期地重複使用，而新興技術可以使其更容易回收，從而大大減少對採礦的需求。可回收和可生物降解電路板的並行進展可以消除電子產品中更多有毒成分，並使消費者可以無負罪感地丟棄報廢的裝置。
“這是一個停止將其視為廢物的機會，”加拿大蒙特利爾工學院專門研究電活性材料的化學家克拉拉·桑塔託說。但是，要使電子產品更具可持續性，還需要整個行業以及渴望其產品的消費者進行更徹底的變革。
地毯下的垃圾
電子垃圾是一個類別，包含各種電氣裝置，其材料可能與其形式和功能一樣多種多樣。一項估計表明，在電子垃圾中可能發現多達69種不同的化學元素1。“我們研究了10種不同的智慧手機印刷電路板，發現材料含量的差異非常顯著，”英國格拉斯哥大學的電子工程師傑夫·凱特爾說。
諸如矽、鐵和銅等標準構建模組通常與更奇特的元素結合在一起。這些元素包括高導電性的貴金屬，如鉑和金，以及稀土元素，如釹，它們具有獨特的磁性和電氣特性。儘管這些元素在地質上並不稀有，但實際上很難獲得，主要來自少數幾個國家，最值得注意的是中國。一些裝置還含有重金屬，如鉛和鎘，這些重金屬嚴重威脅人類和環境健康。
電子垃圾中富含這些難以找到的元素。如果能夠有效地將有用的材料與無用的材料分離，那麼廢物就可能成為一座金礦，無論是字面意義上還是比喻意義上。“當你在礦石中發現稀土元素時，它們的含量是百萬分之幾，而當你在磁鐵中發現它們時，它們的含量是百分之幾，”愛荷華州艾姆斯國家實驗室的材料科學家伊肯納·恩萊貝迪姆說。這些回收元素的質量也得到保證：它們已經被認為適合在電子產品中使用。同樣，估計表明，電子垃圾中的貴金屬含量可能比礦石中的貴金屬含量高出50倍。
“全球電子廢物監測”報告稱，截至2019年，在全球產生的電子垃圾中，只有約17%得到了妥善管理以進行回收1 （見“數字垃圾場”）。其餘的幾乎無法追蹤，據推測最終會被送到當地的垃圾填埋場，浪費寶貴的材料並造成持久的環境破壞。但這其中很大一部分材料被轉移到亞洲、非洲和拉丁美洲的國家。可靠的資料很難獲得，但巴塞爾行動網路（一個位於華盛頓州西雅圖的環境監督機構）在2016年進行的一項監測研究發現，美國聲稱要回收的電子垃圾中，有多達40%可能被出口2。
來源：全球電子廢物統計夥伴關係
奧貢塞坦認為，回收在美國沒有興起有幾個原因。“從經濟角度來看，很難獲得鉅額利潤，而且我們也有許多環境法律阻止了那些可以輕鬆拆卸和冶煉的工廠，”他說。許多地區也缺乏有效的收集系統來回收家庭和企業電子垃圾。因此，這些廢物最終被運到迦納、越南、巴西和其他國家，那裡的非正規回收商手動剝離成船的廢棄電子產品。聯合國於1992年生效的《巴塞爾公約》嚴格限制電子垃圾出口。但美國從未批准該公約。還存在重大漏洞，例如，一些出口商將電子垃圾謊報為捐贈。
非正規回收已成為這些國家一些人民的重要但危險的生計來源。“人們手動取出更有價值的東西，如印刷電路板、硬碟驅動器和記憶體，並將這些東西送回高收入國家進行進一步處理，”迪亞斯說。其餘的則被焚燒或只是堆放在地上，造成持續的公共衛生災難。2012年的一項研究表明，中國農村電子垃圾處理社群的居民患肺癌的可能性比附近主要城市廣州的居民高出60%3。這是由於吸入了有毒廢物副產品，這些副產品是在焚燒電子垃圾後釋放到空氣中的。
一些國家已成功推動變革——在經歷了數十年的破壞之後，中國在2018年至2021年間採取行動，拒絕所有進口固體廢物。但這最終導致廢物被轉移到其他地方，問題的範圍仍然令人望而生畏。
成熟的回收技術
一種稱為城市採礦的做法為改善電子廢物管理和激勵各國保留和處理其剩餘物而不是掩埋、焚燒或出口提供了一種解決方案。這涉及到化學或物理過程，將電子廢物中存在的貴金屬或稀土元素與有毒或價值低的材料分離。
目前城市採礦主要有兩種方法。火法冶金，其中預處理的廢料被加熱到極高的溫度（通常超過1000°C），以燒掉塑膠和其他不需要的材料，併產生可隨後提純的熔融貴金屬混合物。“缺點是這些方法能源密集型，”恩萊貝迪姆說。作為替代方案，一些工廠使用強酸溶解電子廢物中存在的金屬。恩萊貝迪姆指出，雖然水法冶金的能源密集度較低，但它也有其自身的環境負面影響，會產生含酸的有毒汙泥和大量廢水。
城市採礦作業目前在全球相對少數的工廠中進行。但利潤率可能很低，這限制了這個行業的發展。“它們需要非常大的規模才能盈利，因此其他小玩家很難進入並與它們競爭，”迪亞斯說。與城市採礦相關的成本（如預處理、金屬提純和廢物管理）加起來很快，可能會使成本等式重新向傳統採礦傾斜。“你不能告訴別人，‘我的礦是回收的，每公斤多付10美元購買它’，”恩萊貝迪姆說。幸運的是，現在正在開發的方法——包括一些即將商業化的方法——可能會使平衡向回收傾斜。
例如，德克薩斯州休斯頓萊斯大學的合成化學家詹姆斯·圖爾應用了一種稱為閃速焦耳加熱的技術，用於快速、低成本的電子廢物處理。閃速焦耳加熱使材料受到強烈的能量衝擊，將其加熱到金屬汽化的溫度，從而在腔室中只留下碳。但與火法冶金不同，加熱時間非常短暫——通常為幾百毫秒。然後可以在真空下提取由此產生的金屬蒸汽，並透過冷卻使其凝結。閃速焦耳加熱具有明顯的經濟吸引力：它可以在大約每噸廢物12美元的成本下進行，並且只需要最少的能源和水。
在最初的演示中，這種方法回收了電子廢物樣品中存在的80%以上的貴金屬，如鈀和銀4，同時還可以輕鬆隔離有毒化合物，如汞和鉛。“即使按照加州標準，剩餘物也足夠清潔，可以用於農業土壤，”圖爾說。他和他的同事們現在正試圖將這項技術授權給公司，用於電子廢物的城市採礦。
恩萊貝迪姆及其同事開發了一種替代的、無酸的水法冶金方法，用於回收硬碟驅動器和電機中常見的永磁體中的稀土元素5。研究人員確定了在近中性pH條件下選擇性溶解有價值的磁性成分，同時保持其他材料完好無損的反應條件，這意味著在回收之前只需要最少的處理。溶解的稀土元素隨後可以從溶液中提純，從而產生質量足以在電子產品中重複使用的材料。這項技術正在由一家名為TdVib的製造公司進行商業化，該公司總部位於愛荷華州布恩，其首個試驗工廠有望在2022年底全面投入運營。“我們目前正在執行每次800公斤的批次，並將在未來幾個月內擴大到約8000公斤的批次，”TdVib執行長丹尼爾·比納在9月下旬表示。
物盡其用
並非所有東西都可以輕易回收，但有機會創造“綠色電子產品”，以更環保的方式生產和處置。里斯本新大學的材料科學家羅德里戈·馬丁斯確信，現代矽基裝置執行的許多功能有一天可以用環保的替代品來複制，最終消除對稀有金屬、不可生物降解塑膠或能源密集型製造的需求。
傳統的電路板是建立在玻璃纖維上的，玻璃纖維是不可生物降解的，通常摻雜有潛在的有毒阻燃化合物。馬丁斯的小組正在研究紙基電路板，這種電路板可以提供更環保的替代品。2011年，馬丁斯和他的合作者兼妻子埃爾維拉·福圖納託描述了一種紙基互補金氧半導體（CMOS）器件6——現代積體電路中的核心元件。該器件中的導電材料是基於氧化鋅而不是通常使用的矽，而使用這種物質或其他金屬氧化物可以大大降低與製造相關的成本和溫室氣體足跡。
馬丁斯的團隊繼續開發用於高效且可重複地印刷紙基器件的技術，並正在探索替代材料的使用，包括石墨烯與鉍和鉬等常見金屬的組合。他指出，隨著器件效能的提高，器件變得更小，這帶來了額外的優勢。“這意味著我消耗的原材料量要少得多，”馬丁斯說。“而且我可以使用儲量豐富且無毒的材料。”
其他小組正在探索各種替代的可生物降解電路板元件。例如，奧貢塞坦和他的長期合作者約翰尼·林肯（他是加利福尼亞州聖安娜市複合材料製造商Axiom Materials的創始人）正在調查基於亞麻和亞麻籽油衍生的環氧樹脂的電路板的商業可行性，他們於2008年首次展示了這種電路板7。桑塔託的團隊正在研究用黑色素代替矽基半導體的可能性，黑色素是一種天然衍生的色素，能夠有效地傳輸電子。今年，桑塔託的小組已經證明，基於黑色素的薄膜幾乎可以與更成熟的有機半導體的效能相媲美8。雖然他們目前的黑色素來源是墨魚墨汁，但桑塔託指出，她可以從食物垃圾中獲得這種物質。
今年7月，英國綠色能源最佳化印刷瞬態積體電路（GEOPIC）計劃正式啟動，該計劃由格拉斯哥大學的拉溫德·達希亞領導，凱特爾也是該計劃的調查員之一，該計劃彙集了學術界、政府和行業專家，以使電路板生產更具可持續性。“GEOPIC的目標是開發可生物降解的積體電路、可生物降解的基板、可生物降解的互連等等，”凱特爾說。這不會解決可持續性問題的方方面面，但從長遠來看，可能會帶來更綠色的製造工藝和更少的電子垃圾。
這些可生物降解的元件在短期內可能在多大程度上顛覆電路板的現狀仍然是一個懸而未決的問題。“你確實必須在效能上做出妥協，”凱特爾說。亞麻或紙張等柔性和可堆肥基材本質上更容易受到水分或熱量的損壞，使用它們的裝置在設計時必須考慮到這種限制。桑塔託認為，材料科學家離找到許多稀有金屬的環保替代品還有很長的路要走。“目前，”她說，“你無法用有機或碳基導體達到黃金、鉑金或鈀金的導電性。”
然而，可回收或可堆肥的電子產品可能在旨在短期使用的裝置中，或在窄用途裝置（如可穿戴裝置或環境感測器）中變得非常寶貴，這些裝置不必滿足與智慧手機處理器相同的嚴格效能標準。從馬丁斯的角度來看，這種電子產品可以在監測水質或食品安全，或製造低成本顯示器等環境中發揮作用，而不會對地球的電子垃圾負擔造成有意義的增加。
創造文化轉變
許多研究電子垃圾問題的研究人員驚喜地發現，商業領域有熱情的合作伙伴。例如，奧貢塞坦正在進行由微軟資助的研究，圖爾說他經常與希望最大限度地減少與保持其IT基礎設施更新相關的影響的公司聯絡。“伺服器機房每三年更換一次，你會得到成堆的印刷電路板，”圖爾說。這些設施“不知道如何處理所有這些有毒廢物”，他解釋說。
但可能需要採取更積極的措施，包括更嚴格的法規。迪亞斯認為，嚴格禁止將電子垃圾填埋是至關重要的第一步。“回收的最大競爭對手是填埋，”他說。如果取消這種選擇，競爭將轉向提供最具成本效益的回收服務。迪亞斯進一步強調，這一步驟還必須與更嚴格的出口限制監測和執行相結合，以防止高收入國家的電子垃圾大量湧入低收入國家的海岸。
製造商也應採取促進迴圈的做法。“需要制定非常明確的‘報廢’政策，即生產者回收產品，”桑塔託說。一些裝置製造商已經在這樣做了；例如，總部位於阿姆斯特丹的智慧手機制造商Fairphone報告稱，他們在2021年回收的手機數量與他們向消費者銷售的手機數量一樣多。旨在易於拆卸和維修的模組化電子裝置也可以透過使其更容易且更便宜地分解或維修損壞或過時的裝置來激勵回收。
但消費者也需要發揮自己的作用——尤其是在高收入國家，每隔幾年更換智慧手機等高階電子裝置已成為常態。“我們經常認為回收是萬能藥——但事實並非如此，”迪亞斯說。“減少應該是首要目標。”製造商的計劃報廢是問題的一部分，但解決這個問題也將是公眾教育和促進公民意識和環境意識的政策問題。“我們可以擁有可以使用四五年且仍然可以過上美好生活的優秀裝置，”迪亞斯說。“我們不必像我們想象的那樣放棄那麼多。”
本文是《自然展望：迴圈經濟》的一部分，這是一份編輯上獨立的增刊，由谷歌提供財政支援製作。關於此內容。
參考文獻
Forti, V., Baldé, C. P., Kuehr, R. & Bel, G. The Global E-waste Monitor 2020 (UNU/UNITAR, ITU & ISWA, 2020).
Hopson, E. & Puckett, J. Scam Recycling: e-Dumping on Asia by US Recyclers (巴塞爾行動網路, 2016).
Wang, J. et al. Environ. Sci. Technol. 46, 9745–9752 (2012).
Deng, B. et al. Nature Commun. 12, 5794 (2021).
Prodius, D., Gandha, K., Mudring, A.-V. & Nlebedim, I. C. ACS Sustainable Chem. Eng. 8, 1455–1463 (2020).
Martins, R. et al. Adv. Mater. 23, 4491–4496 (2011).
Lincoln, J. D., Shapiro, A. A., Earthman, J. C., Saphores, J.-D. M. & Ogunseitan, O. A. IEEE Trans. Electron. Packag. Manuf. 31, 211–220 (2008).
Camus, A. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 119, e2200058119 (2022).