كيف يُمكن إعادة تدوير مغناطيسات Ndfeb المُستخدَمة بكفاءة؟ هل يُمكن أن تكون خصائصها المغناطيسية بعد إعادة التدوير قريبة من خصائص المواد الأصلية؟

2. تقنيات إعادة تدوير مغناطيسات NdFeB

تنقسم طرق إعادة تدوير مغناطيسات NdFeB إلى فئتين: دورة طويلة (الاستخلاص الكيميائي للعناصر الأرضية النادرة) ودورة قصيرة (إعادة الاستخدام المباشر أو إعادة التصنيع). يعتمد الاختيار على نوع الخردة (مثل نفايات الإنتاج مقابل المنتجات منتهية الصلاحية)، والتكلفة، والأثر البيئي.

2.1 إعادة التدوير طويل المدى: الاستخلاص الكيميائي للعناصر الأرضية النادرة

تتضمن عملية إعادة التدوير طويلة المدى تفكيك المغناطيسات إلى عناصر أرضية أرضية فردية، والتي تُعاد معالجتها بعد ذلك لإنتاج مغناطيسات أو أكاسيد جديدة. تشمل الطرق الرئيسية ما يلي:

• الهيدروميتالورجيا:
  • العملية : إذابة المغناطيس في الأحماض (مثل حمض الهيدروكلوريك، وH₂SO₄)، ثم استخدام الاستخلاص بالمذيبات أو الترسيب الانتقائي لعزل العناصر الأرضية النادرة. على سبيل المثال، تقوم شركة سانتوكو بطحن المغناطيس إلى جزيئات أصغر من 75 ميكرومتر، ثم أكسدتها في هيدروكسيد الصوديوم (NaOH) عند درجات حرارة مرتفعة، ثم تُرشح العناصر الأرضية النادرة بشكل انتقائي.
  • المزايا : نقاء عالي (استعادة 99٪ + REE)، مناسب للخردة المعقدة.
  • التحديات : ارتفاع استهلاك المواد الكيميائية، وتكاليف معالجة مياه الصرف الصحي، واستخدام الطاقة (على سبيل المثال، التدفئة للاستخلاص).
• علم المعادن الحرارية:
  • العملية : تسخين مغناطيسات مع مواد صهر (مثل أكسيد الكالسيوم وأكسيد المغنيسيوم) لتكوين معادن أرضية (REEs) تحتوي على خبث، والتي تُختزل بعد ذلك إلى معادن. على سبيل المثال، يُوسّع تحميص الكبريتات والتحميص بالنترتة نطاق علم المعادن الحرارية عن طريق تعديل حالات الأكسدة.
  • المزايا : قابلة للتوسع لحجم كبير، مع الحد الأدنى من النفايات السائلة.
  • التحديات : مدخلات طاقة عالية (1200-1600 درجة مئوية)، وتلوث الهواء المحتمل بسبب انبعاثات الغبار.
• الطرق الكهروكيميائية:
  • العملية : استخدام التحليل الكهربائي لاستخراج العناصر الأرضية النادرة من الأملاح المنصهرة أو المحاليل المائية. هذه الطريقة أقل شيوعًا، لكنها تُوفر دقة في فصل العناصر الأرضية النادرة.
  • المزايا : انخفاض النفايات الكيميائية، وإمكانية الاسترداد الانتقائي.
  • التحديات : ارتفاع تكاليف رأس المال للمعدات المتخصصة.

2.2 إعادة التدوير في حلقة قصيرة: إعادة الاستخدام المباشر أو إعادة التصنيع

تتجاوز عملية إعادة التدوير قصيرة الحلقة الاستخراج الكيميائي، مما يحافظ على بنية المغناطيس لإعادة استخدامه أو إعادة معالجته وتحويله إلى مغناطيسات جديدة. تشمل الطرق الرئيسية ما يلي:

• تناقص الهيدروجين (HD):
  • العملية : تُعرَّض المغناطيسات لغاز الهيدروجين، مما يؤدي إلى تكسرها إلى مسحوق نتيجةً لتمدد الحجم في طور Nd₂Fe₁₄B. ثم يُضغط المسحوق ويُحَمَّل إلى مغناطيسات جديدة.
  • المزايا : موفر للطاقة (طاقة أقل بنسبة 88% من الإنتاج الأولي)، ويحتفظ بالخصائص المغناطيسية.
  • دراسة الحالة : تعمل تقنية المعالجة الهيدروجينية لخردة المغناطيس (HPMS) الحاصلة على براءة اختراع من HyProMag على استعادة مسحوق سبيكة NdFeB من الخردة، مما يحقق كفاءة استعادة REE بنسبة 99.8%.
• إعادة تدوير المغناطيس إلى المغناطيس:
  • العملية : إزالة مغناطيسية المغناطيسات القديمة، وتنظيفها (إزالة الطلاء والغراء)، وإعادة تشكيلها بأشكال هندسية جديدة. على سبيل المثال، تُعيد شركة هيتاشي ميتالز تدوير أكثر من 90% من نفايات إنتاجها وتحويلها إلى مغناطيسات جديدة.
  • المزايا : الحد الأدنى من فقدان المواد، وانخفاض تكلفة الخردة الإنتاجية.
  • التحديات : تقتصر على المغناطيسات ذات الخصائص الفيزيائية السليمة (على سبيل المثال، لا تآكل أو كسر).
• الذوبان المباشر:
  • العملية : صهر مغناطيسات الخردة وتشكيلها في سبائك جديدة. هذه الطريقة أقل شيوعًا نظرًا لخطر اندماج الشوائب.
  • المزايا : بسيطة للخردة المتجانسة.
  • التحديات : يتطلب مراقبة جودة صارمة لتجنب التدهور.

3. استعادة الخواص المغناطيسية في المغناطيسات المعاد تدويرها

تعتمد الخواص المغناطيسية لمغناطيسات NdFeB المُعاد تدويرها على طريقة إعادة التدوير، وجودة الخردة، ومعالجات ما بعد المعالجة. ومن العوامل الرئيسية:

3.1 تعديل حدود الحبوب (GBM)

• المبدأ : تعتمد الخصائص المغناطيسية لمغناطيسات NdFeB على البنية الدقيقة: توفر مصفوفة Nd₂Fe₁₄B مغناطيسية عالية، بينما تعمل مرحلة حدود الحبوب (الغنية بـ Nd وREEs) على عزل الحبوب لتقليل فقدان القوة القسرية.
• العملية : إضافة هيدريدات العناصر الأرضية النادرة (مثل جسيمات DyH₃ النانوية) أثناء التلبيد لتعديل حدود الحبيبات. أظهر ليو وزملاؤه أن إضافة 1% DyH₃ قبل التلبيد يُعيد ما يصل إلى 89% من ناتج الطاقة الأقصى الأصلي (BH)max.
• النتيجة : تعمل مادة GBM على تعزيز القوة القسرية والمخلفات، مما يجعل المغناطيسات المعاد تدويرها مناسبة للتطبيقات عالية الأداء مثل محركات الجر.

3.2 تحسين الضغط ودرجة الحرارة

• الضغط : في عمليات التناقص الهيدروجيني (HD) والتناقص التناسبي (HDDR)، يُسرّع ارتفاع الضغط فوق 1 بار امتصاص الهيدروجين، ولكنه يُقلّل من الخواص المغناطيسية. الضغط الأمثل للمعالجة المستدامة هو 50 كيلو باسكال .
• درجة الحرارة : يُعدّ التلبيد عند درجة حرارة تتراوح بين ١٠٠٠ و١١٠٠ درجة مئوية أمرًا بالغ الأهمية للتكثيف. قد تؤدي الانحرافات إلى المسامية أو نمو الحبيبات، مما يُؤدي إلى تدهور الخصائص.

3.3 دراسات الحالة: أداء المغناطيسات المعاد تدويرها

• المحركات الكهربائية : قارنت دراسة بين محركين متطابقين، أحدهما يستخدم مغناطيسات NdFeB مُعاد تدويرها (عبر معالجة مغناطيسية)، والآخر يستخدم مغناطيسات جديدة. أظهرت المغناطيسات المُعاد تدويرها ارتباط تدفق الدائرة المفتوحة أعلى بنسبة 7.0% وعزم دوران أعلى بنسبة 6.4%، على الرغم من انخفاض محتوى الديسبروسيوم بنسبة 15% .
• التطبيقات الصناعية : أظهرت المغناطيسات المعاد تدويرها من أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي والمضخات وطواحين الهواء خصائص مماثلة للمغناطيسات البكر (على سبيل المثال، بقايا Br = 1.16–1.29 T، قسرية HcJ = 1,147–1,590 kA/m).

4. التحديات والتوجهات المستقبلية

على الرغم من التقدم، فإن إعادة تدوير مغناطيسات NdFeB تواجه تحديات:

• تباين جودة المواد : تؤثر حالة الخردة (مثل التآكل والطلاء) على كفاءة إعادة التدوير. على سبيل المثال، تتطلب بقايا الغراء من المغناطيسات الملتصقة تحميصًا قلويًا لإزالتها.
• الجدوى الاقتصادية : تُعدّ طرق المعالجة طويلة المدى مكلفةً نظرًا لاستنفاذ المواد الكيميائية والطاقة. أما طرق المعالجة قصيرة المدى، فهي أقل تكلفةً، لكنها تقتصر على الخردة عالية الجودة.
• قابلية التوسع : معظم المنشآت الصناعية (مثل HyProMag وREEcycle) تعمل على نطاق تجريبي. يتطلب التطبيق واسع النطاق دعمًا سياسيًا (مثل الدعم المالي، وتوسيع نطاق مسؤولية المنتج).

الابتكارات المستقبلية :

• المعالجة بمساعدة الميكروويف : تسخين سريع وكفء في استخدام الطاقة للمغناطيسات المؤكسدة أو مساعدة الاحتراق.
• تقنيات الفرز المتقدمة : أجهزة استشعار تعمل بالذكاء الاصطناعي لفصل المغناطيس عن النفايات الإلكترونية حسب التركيب والهندسة.
• نماذج الاقتصاد الدائري : دمج إعادة التدوير في تصميم المنتج (على سبيل المثال، الأجهزة المعيارية لإزالة المغناطيس بسهولة).

5. الخاتمة

يمكن تحقيق إعادة تدوير مغناطيسات NdFeB المُستخرَجة بكفاءة من خلال طرق الحلقة القصيرة، مثل تحلل الهيدروجين ومعالجة المغناطيس إلى مغناطيس، والتي تحافظ على الخصائص المغناطيسية مع تقليل التأثير البيئي. من خلال تحسين تعديل حدود الحبيبات والضغط ودرجة الحرارة، يمكن للمغناطيسات المُعاد تدويرها أن تُضاهي أو تتجاوز أداء المواد الخام في تطبيقات مثل المركبات الكهربائية وتوربينات الرياح. ومع ذلك، يتطلب توسيع نطاق إعادة التدوير معالجة تقلبات المواد والعوائق الاقتصادية والفجوات التكنولوجية. تُعد الجهود التعاونية بين الحكومات والمُصنِّعين والباحثين ضرورية للانتقال إلى اقتصاد دائري لمغناطيسات NdFeB، مما يضمن الوصول المستدام إلى العناصر الأرضية النادرة (REEs) الضرورية لتقنيات المستقبل.