Critical metals in electronic equipment: a methodology to model end-user stocks and flows

Thiébaud, Esther

Electronic equipment (EE) contains important material resources, not only bulk materials but also precious metals and critical metals. While the recycling of bulk materials and precious metals is often well established, efforts to specifically recover critical metals from EE are only beginning. They are hampered by low contents per device, limitations of recovery technologies, lack of economic incentives as well as limited knowledge of stocks, flows and disposal pathways of critical metals incorporated in EE. For an efficient management of these resources, it is thus important to know where they are located, how long they are used and when and how they are disposed of. This can be achieved by dynamic material flow analyses (MFAs), which are often used to investigate the development of material cycles over time. In this thesis, we explore the fate of critical metals in EE used by private end-users in Switzerland with a focus on the examples of indium and neodymium. Additionally, we include the precious metal gold as a reference metal with already well-established recycling processes. The main objectives of this research are to better understand the metabolism of the anthroposphere regarding critical metals connected to the use of EE, provide a basis to develop appropriate tools and alternatives to manage efficient recycling systems and encourage the recycling and reintegration of critical metals into anthropogenic material cycles. We explore the fate of critical metals and their suitability for urban mining with a special focus on the service lifetime, storage time and disposal pathways of different device types. Within the use phase, we investigate the past and current quantities of electronic devices containing indium, neodymium, and gold in the in-use stock and quantify the flows between the use, storage and disposal phase. Within the collection, recycling and disposal phase, we assess sinks resulting from the dissipation of critical metals due to inappropriate recycling processes. As input data of dynamic MFAs are often acquired from many different sources with varying data reliability, we systematically consider the associated data uncertainties. Data for the service lifetime, storage time and disposal pathways are collected via a survey and additional interviews. Devices included are mobile phones, smartphones, desktop and laptop computers, monitors, cathode ray tube and flat panel display televisions, DVD players and headphones. Based on the empirical results, the system for the dynamic MFA is developed as a cascade model, with each step consisting of an inuse- stock and a storage stock for new and second-hand devices, respectively. In order to track the three metals from their entry into Switzerland as components of new devices until their recovery, disposal in landfill or dissipation to the environment, the cascade model is extended with the collection, recycling, and disposal phase. With statistical entropy analysis (SEA), we further analyze the dilution or concentration of the metals during their route through the current system. Using a customized software tool, we apply Monte Carlo simulation to systematically consider data uncertainty in the calculation of the dynamic MFA. The cascade model provides new and important insights regarding product lifetimes and the transfer of devices from active use to storage and disposal. We show that not only the service lifetime but also the storage time and the flows between the in-use stock and the storage stock are important to consider in dynamic MFAs. Our study thus provides insights into the 'black box' that has been the usual way of modeling the use phase of end-user products so far. With the extended model, we are able to show the final destinations of indium and neodymium within the collection, recycling and disposal phase and quantify the related stocks and flows. With SEA, we illustrate how indium and neodymium are successfully concentrated during preprocessing, but subsequently lost in smelting and incineration processes. The variable data quality in MFAs is accounted for in a comprehensive and flexible way, by the inclusion of input data uncertainty in the form of probability distributions, by Monte-Carlo simulation and analysis of the resulting probabilistic stocks and flows. The presented approach is a step towards a deeper understanding of the stocks and flows of EE and its incorporated critical metals. The generic model can be customized and applied to any end-user product that is potentially reused and stored after its first service life.

Elektronische Geräte (EG) enthalten wichtige Ressourcen, darunter Basismetalle und Kunststoffe, aber auch Edelmetalle und kritische Metalle. Während das Recycling von Basis- und Edelmetallen schon lange etabliert ist, stehen die Bemühungen, kritische Metalle aus EG zurückzugewinnen, noch am Anfang. Gründe dafür sind geringe Metallgehalte pro Gerät, thermodynamische Grenzen der Rückgewinnungsprozesse, fehlende ökonomische Anreize sowie geringe Kenntnisse über die Lager, Flüsse und Entsorgungswege von kritischen Metallen in EG. Für ein effizientes Ressourcenmanagement ist es also wichtig zu wissen, wo sich die Geräte befinden, wie lange sie verwendet werden und wann sie wie entsorgt werden. Um solche Entwicklungen von Materialzyklen im Zeitablauf zu analysieren, werden häufig dynamische Materialflussanalysen (MFAs) verwendet. In der vorliegenden Dissertation wird am Beispiel von Indium und Neodym der Verbleib kritischer Metalle in EG, die von privaten Haushalten in der Schweiz genutzt werden, untersucht. Zusätzlich wird das Edelmetall Gold, als Referenzmetall mit bereits existierender Rückgewinnung, in die Untersuchung miteinbezogen. Die Hauptziele dieser Arbeit sind es, den Metabolismus der Anthroposphäre in Bezug auf kritische Metalle als Bestandteile von elektronischen Geräten besser zu verstehen, eine Grundlage für die Entwicklung geeigneter Instrumente für das Management von effizienten Recyclingsystemen zu schaffen, sowie das Recycling und den Rücklauf von kritischen Metallen in anthropogene Materialzyklen zu fördern. Der Verbleib der kritischen Metalle im System sowie ihre Eignung für sogenanntes 'urban mining' wird mit besonderem Fokus auf die Nutzungszeit, die Aufbewahrungszeit und die Entsorgungswege der verschiedenen Gerätetypen bewertet. Innerhalb der Nutzungsphase untersuchen wir die vergangenen und gegenwärtigen Lager an EG, die Indium, Neodym und Gold enthalten, und quantifizieren die Flüsse zwischen der Nutzungs-, Aufbewahrungs- und Entsorgungsphase. Innerhalb der Sammel-, Recycling- und Entsorgungsphase beurteilen wir die Senken, die sich aus der Dissipation von kritischen Metallen aufgrund von ungeeigneten Recyclingprozessen bilden. Da oft nur wenige und unvollständige Daten vorhanden sind, berücksichtigen wir systematisch die damit verbundenen Datenunsicherheiten. Daten für die Nutzungszeit, die Aufbewahrungszeit und die Entsorgungswege werden über eine Umfrage und zusätzliche Interviews gesammelt. Berücksichtigte Geräte sind Mobiltelefone, Smartphones, Desktopund Laptop-Computer, Monitore, Röhren- und Flachbildfernseher, DVD-Player und Kopfhörer. Basierend auf den empirischen Ergebnissen wird das System für die dynamische MFA als Kaskadenmodell entwickelt, wobei in jeder Stufe das Lager in Nutzung und Aufbewahrung für neue bzw. gebrauchte Geräte aufgeteilt wird. Um den Weg der drei Metalle vom Verkauf in die Schweiz als Bestandteil neuer Geräte bis zur Verwertung, Entsorgung oder Dissipation in die Umwelt zu verfolgen, wird das Kaskadenmodell um die Sammel-, Recycling- und Entsorgungsphase erweitert. Zusätzlich wird die Verdünnung der Metalle auf ihrem Weg durch das System mit der Statistischen Entropie Analyse (SEA) untersucht. Mit Hilfe eines maßgeschneiderten Software-Tools wird die Datenunsicherheit der dynamischen MFA mit Monte-Carlo-Simulation berücksichtigt. Das Kaskadenmodell liefert neue und wichtige Erkenntnisse über die Produktlebensdauer und den Übergang von Geräten vom aktiven Gebrauch in die Lagerung und Entsorgung. Wir zeigen, dass nicht nur die Nutzungszeit, sondern auch die Aufbewahrungszeit und die Flüsse zwischen dem aktiv genutzten Bestand und der Aufbewahrung für dynamische MFAs wichtig sind. Unsere Studie bietet also Einblicke in die 'Black Box', die bisher die übliche Art war, die Nutzungsphase von Endverbraucherprodukten zu modellieren. Das erweiterte Modell ermöglicht es, die endgültigen Senken von Indium und Neodym in der Sammel-, Recycling- und Entsorgungsphase aufzuzeigen und die damit verbundenen Lager und Flüsse quantifizieren. Mit SEA können wir veranschaulichen, wie sich die Metalle bei der Vorverarbeitung erfolgreich aufkonzentrieren lassen, aber später in Schmelz- und Verbrennungsprozessen wieder verloren gehen. Die variable Datenqualität in MFAs wird durch die Darstellung der Unsicherheiten von Inputdaten mit Wahrscheinlichkeitsverteilungen, Monte-Carlo-Simulation und die Analyse der daraus resultierenden probabilistischen Lager und Flüsse umfassend und flexibel berücksichtigt. Der verwendete Ansatz ist ein Schritt hin zu einem tieferen Verständnis der Lager und Flüsse von elektronischen Geräten und den darin enthaltenen kritischen Metallen. Das generische Modell kann auch für andere Endverbraucherprodukte angepasst und verwendet werden, welche nach ihrer ersten Lebensdauer potenziell wiederverwendet und aufbewahrt werden.

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Thiébaud, Esther: Critical metals in electronic equipment: a methodology to model end-user stocks and flows. 2018.

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