Как могат бракуваните NdFeB магнити да бъдат ефективно рециклирани? Могат ли магнитните свойства след рециклиране да бъдат близки до тези на оригиналните материали?

2. Технологии за рециклиране на NdFeB магнити

Методите за рециклиране на NdFeB магнити се разделят на две категории: дълъг цикъл (химическо извличане на редки елементи) и къс цикъл (директна повторна употреба или преработка). Изборът зависи от вида на скрапа (напр. производствени отпадъци срещу продукти с изтекъл срок на годност), цената и въздействието върху околната среда.

2.1 Дългоциклично рециклиране: Химично извличане на редки елементи (REE)

Рециклирането с дълъг цикъл включва разграждане на магнитите на отделни редки елементи (REE), които след това се преработват в нови магнити или оксиди. Ключови методи включват:

• Хидрометалургия:
  • Процес : Разтваряне на магнити в киселини (напр. HCl, H₂SO₄), след което използване на екстракция с разтворител или селективно утаяване за изолиране на редки елементи (REE). Например, Santoku Corporation смила магнити на частици <75 μm, окислява ги в NaOH при повишени температури и селективно извлича REE.
  • Предимства : Висока чистота (99%+ възстановяване на REE), подходяща за сложен скрап.
  • Предизвикателства : Висока консумация на химикали, разходи за пречистване на отпадъчни води и потребление на енергия (напр. нагряване за излужване).
• Пирометалургия:
  • Процес : Нагряване на магнити с флюсове (напр. CaO, MgO), за да се образува шлака, съдържаща редки елементи (REE), които след това се редуцират до метали. Например, сулфатното изпичане и нитрификационното изпичане разширяват пирометалургията чрез модифициране на окислителните състояния.
  • Предимства : Мащабируем за големи обеми, минимални течни отпадъци.
  • Предизвикателства : Висок енергиен разход (1200–1600°C), потенциално замърсяване на въздуха от прахови емисии.
• Електрохимични методи:
  • Процес : Използвайте електролиза за извличане на редки елементи от разтопени соли или водни разтвори. Този метод е по-рядко срещан, но предлага прецизност при отделянето на редки елементи.
  • Предимства : Ниско количество химически отпадъци, потенциал за селективно оползотворяване.
  • Предизвикателства : Високи капиталови разходи за специализирано оборудване.

2.2 Рециклиране с къс цикъл: Директна повторна употреба или преработка

Рециклирането с къс цикъл заобикаля химическата екстракция, запазвайки структурата на магнита за повторна употреба или преработка в нови магнити. Ключови методи включват:

• Водородна декрепитация (HD):
  • Процес : Магнитите се излагат на водороден газ, което води до раздробяването им на прах поради разширяване на обема във фазата Nd₂Fe₁₄B. След това прахът се пресова и синтерова в нови магнити.
  • Предимства : Енергийно ефективен (88% по-малко енергия от първичното производство), запазва магнитните свойства.
  • Казус : Патентованата технология на HyProMag за водородна обработка на магнитен скрап (HPMS) извлича прах от сплав NdFeB от скрап, постигайки 99,8% ефективност на извличане на редки елементи.
• Рециклиране от магнит към магнит:
  • Процес : Демагнетизиране на скрап магнити, почистване (отстраняване на покрития, лепило) и преоформянето им в нови геометрии. Например, Hitachi Metals рециклира над 90% от производствените си отпадъци в нови магнити.
  • Предимства : Минимална загуба на материал, ниска цена на производствения брак.
  • Предизвикателства : Ограничено до магнити с непроменени физически свойства (напр. без корозия или счупване).
• Директно топене:
  • Процес : Разтопяване на скрап магнити и отливането им в нови сплави. Този метод е по-рядко срещан поради риска от включване на примеси.
  • Предимства : Лесен за хомогенен скрап.
  • Предизвикателства : Изисква строг контрол на качеството, за да се избегне влошаване на качеството.

3. Възстановяване на магнитните свойства на рециклирани магнити

Магнитните свойства на рециклираните NdFeB магнити зависят от метода на рециклиране, качеството на скрапа и последващата обработка. Ключови фактори включват:

3.1 Модификация на границите на зърната (GBM)

• Принцип : Магнитните свойства на NdFeB магнитите зависят от микроструктурата: матрицата Nd₂Fe₁₄B осигурява висока намагнитване, докато фазата на границата на зърната (богата на Nd и REE) изолира зърната, за да намали загубата на коерцитивност.
• Процес : Добавяне на REE хидриди (напр. DyH₃ наночастици) по време на синтероване, за да се модифицират границите на зърната. Liu et al. демонстрираха, че добавянето на 1% DyH₃ преди синтероване възстановява до 89% от първоначалния (BH)max (максимален енергиен продукт).
• Резултат : GBM подобрява коерцитивността и реманентността, което прави рециклираните магнити подходящи за високопроизводителни приложения, като например тягови двигатели.

3.2 Оптимизиране на налягането и температурата

• Налягане : При HD и HDDR (водородна декрепитация-диспропорциониране-десорбция-рекомбинация) процесите, повишаването на налягането над 1 бар ускорява абсорбцията на водород, но намалява магнитните свойства. Оптималното налягане за устойчива обработка е 50 kPa .
• Температура : Синтероването при 1000–1100°C е от решаващо значение за уплътняването. Отклоненията могат да доведат до порьозност или растеж на зърната, което влошава свойствата.

3.3 Казуси: Производителност на рециклирани магнити

• Електродвигатели : Проучване сравнява два идентични двигателя - единият използва рециклирани NdFeB магнити (чрез обработка магнит-към-магнит), а другият използва девствени магнити. Рециклираните магнити показват 7,0% по-висока степен на свързване на магнитния поток в отворена верига и 6,4% по-висок въртящ момент, въпреки че имат 15% по-ниско съдържание на диспрозий .
• Промишлени приложения : Рециклирани магнити от ЯМР скенери, помпи и вятърни турбини показват свойства, подобни на тези на чисти магнити (напр. остатъчна сила на тока Br = 1,16–1,29 T, коерцитивност HcJ = 1 147–1 590 kA/m).

4. Предизвикателства и бъдещи насоки

Въпреки напредъка, рециклирането на NdFeB магнити е изправено пред предизвикателства:

• Променливост в качеството на материалите : Състоянието на скрапа (напр. корозия, покрития) влияе върху ефективността на рециклиране. Например, остатъците от лепило от свързани магнити изискват алкално изпичане за отстраняване.
• Икономическа жизнеспособност : Методите с дълъг цикъл са скъпи поради химическите и енергийните вложения. Методите с къс цикъл са по-евтини, но са ограничени до висококачествен скрап.
• Мащабируемост : Повечето промишлени инсталации (напр. HyProMag, REEcycle) са в пилотен мащаб. Мащабното внедряване изисква политическа подкрепа (напр. субсидии, разширена отговорност на производителя).

Бъдещи иновации :

• Микровълнова обработка : Бързо, енергийно ефективно нагряване за окисляване на магнити или подпомагане на горенето.
• Разширени технологии за сортиране : Сензори, задвижвани от изкуствен интелект, за разделяне на магнити от електронни отпадъци по състав и геометрия.
• Модели на кръгова икономика : Интегриране на рециклирането в продуктовия дизайн (напр. модулни устройства за лесно отстраняване на магнити).

5. Заключение

Ефективното рециклиране на бракувани NdFeB магнити е постижимо чрез методи с къс цикъл, като водородна декрепитация и обработка магнит-магнит, които запазват магнитните свойства, като същевременно намаляват въздействието върху околната среда. Чрез оптимизиране на модификацията на границите на зърната, налягането и температурата, рециклираните магнити могат да достигнат или да надминат производителността на девствените материали в приложения като електрически превозни средства и вятърни турбини. Въпреки това, увеличаването на рециклирането изисква справяне с променливостта на материалите, икономическите бариери и технологичните пропуски. Съвместните усилия между правителствата, производителите и изследователите са от съществено значение за прехода към кръгова икономика за NdFeB магнитите, осигурявайки устойчив достъп до критични редки елементи (REE) за бъдещи технологии.