Hvordan kan de skrottede Ndfeb-magneter genbruges effektivt? Kan de magnetiske egenskaber efter genbrug være tæt på de originale materialers?

2. Genbrugsteknologier til NdFeB-magneter

Genbrugsmetoder til NdFeB-magneter falder i to kategorier: lang løkke (kemisk udvinding af REE'er) og kort løkke (direkte genbrug eller genfremstilling). Valget afhænger af skrottypen (f.eks. produktionsaffald vs. udtjente produkter), omkostninger og miljøpåvirkning.

2.1 Langtidsgenbrug: Kemisk udvinding af REE'er

Langtidsgenbrug involverer nedbrydning af magneter til individuelle REE'er, som derefter genforarbejdes til nye magneter eller oxider. Nøglemetoder omfatter:

• Hydrometallurgi:
  • Proces : Opløs magneter i syrer (f.eks. HCl, H₂SO₄), og brug derefter solventekstraktion eller selektiv udfældning til at isolere REE'er. For eksempel maler Santoku Corporation magneter til partikler <75 μm, oxiderer dem i NaOH ved forhøjede temperaturer og udvasker REE'er selektivt.
  • Fordele : Høj renhed (99%+ REE-genvinding), egnet til komplekst skrot.
  • Udfordringer : Højt kemikalieforbrug, omkostninger til spildevandsbehandling og energiforbrug (f.eks. opvarmning til udvaskning).
• Pyrometallurgi:
  • Proces : Opvarm magneter med flusmidler (f.eks. CaO, MgO) for at danne slagge indeholdende REE'er, som derefter reduceres til metaller. For eksempel udvider sulfatristning og nitrifikationsristning pyrometallurgi ved at ændre oxidationstilstande.
  • Fordele : Skalerbar til store mængder, minimalt væskespild.
  • Udfordringer : Høj energitilførsel (1.200-1.600 °C), potentiel luftforurening fra støvemissioner.
• Elektrokemiske metoder:
  • Proces : Brug elektrolyse til at udvinde REE'er fra smeltede salte eller vandige opløsninger. Denne metode er mindre almindelig, men giver præcision i adskillelsen af ​​REE'er.
  • Fordele : Lavt kemisk affald, potentiale for selektiv genvinding.
  • Udfordringer : Høje kapitalomkostninger til specialudstyr.

2.2 Korttidsgenbrug: Direkte genbrug eller genfremstilling

Korttidsgenbrug omgår kemisk ekstraktion og bevarer dermed magnetens struktur til genbrug eller oparbejdning til nye magneter. Nøglemetoder omfatter:

• Hydrogenafbrydelse (HD):
  • Proces : Magneter udsættes for brintgas, hvilket får dem til at sprænges til pulver på grund af volumenudvidelse i Nd₂Fe₁₄B-fasen. Pulveret presses derefter og sintres til nye magneter.
  • Fordele : Energieffektiv (88 % mindre energi end primærproduktion), bevarer magnetiske egenskaber.
  • Casestudie : HyProMags patenterede teknologi til hydrogenbehandling af magnetskrot (HPMS) genvinder NdFeB-legeringspulver fra skrot og opnår en genvindingseffektivitet på 99,8 % af REE.
• Magnet-til-magnet-genbrug:
  • Proces : Afmagnetiser skrotmagneter, rengør dem (fjern belægninger, lim) og omform dem til nye geometrier. For eksempel genbruger Hitachi Metals over 90% af sit produktionsaffald til nye magneter.
  • Fordele : Minimalt materialetab, lave omkostninger til produktionsskrot.
  • Udfordringer : Begrænset til magneter med intakte fysiske egenskaber (f.eks. ingen korrosion eller brud).
• Direkte smeltning:
  • Proces : Smelt skrotmagneter og støb dem til nye legeringer. Denne metode er mindre almindelig på grund af risikoen for inkorporering af urenheder.
  • Fordele : Enkel til homogent skrot.
  • Udfordringer : Kræver streng kvalitetskontrol for at undgå forringelse.

3. Gendannelse af magnetiske egenskaber i genbrugte magneter

De magnetiske egenskaber ved genbrugte NdFeB-magneter afhænger af genbrugsmetoden, skrotkvaliteten og efterbehandlingen. Nøglefaktorer omfatter:

3.1 Korngrænsemodifikation (GBM)

• Princip : De magnetiske egenskaber ved NdFeB-magneter afhænger af mikrostrukturen: Nd₂Fe₁₄B-matricen giver høj magnetisering, mens korngrænsefasen (rig på Nd og REE'er) isolerer korn for at reducere koercitivitetstab.
• Proces : Tilsæt REE-hydrider (f.eks. DyH₃-nanopartikler) under sintring for at ændre korngrænser. Liu et al. viste, at tilsætning af 1% DyH₃ før sintring genvinder op til 89% af det oprindelige (BH)max (maksimal energiprodukt).
• Resultat : GBM forbedrer koercitivitet og remanens, hvilket gør genbrugsmagneter velegnede til højtydende applikationer som trækmotorer.

3.2 Optimering af tryk og temperatur

• Tryk : I HD- og HDDR-processer (Hydrogen Decrepitation-Disproportionation-Desorption-Rekombination) accelererer et øget tryk over 1 bar hydrogenabsorptionen, men reducerer de magnetiske egenskaber. Det optimale tryk for bæredygtig forarbejdning er 50 kPa .
• Temperatur : Sintring ved 1.000-1.100 °C er afgørende for densificering. Afvigelser kan føre til porøsitet eller kornvækst, hvilket forringer egenskaberne.

3.3 Casestudier: Ydeevne af genbrugsmagneter

• Elektriske motorer : En undersøgelse sammenlignede to identiske motorer – den ene brugte genbrugte NdFeB-magneter (via magnet-til-magnet-behandling) og den anden brugte jomfruelige magneter. De genbrugte magneter udviste 7,0 % højere fluxkobling i åbent kredsløb og 6,4 % højere drejningsmoment på trods af et 15 % lavere dysprosiumindhold .
• Industrielle anvendelser : Genbrugsmagneter fra MR-scannere, pumper og vindmøller udviste egenskaber svarende til jomfruelige magneter (f.eks. remanens Br = 1,16-1,29 T, koercitivitet HcJ = 1.147-1.590 kA/m).

4. Udfordringer og fremtidige retninger

Trods fremskridt står genbrug af NdFeB-magneter over for udfordringer:

• Variation i materialekvalitet : Tilstanden af ​​skrot (f.eks. korrosion, belægninger) påvirker genbrugseffektiviteten. For eksempel kræver limrester fra bundne magneter alkalisk ristning for at blive fjernet.
• Økonomisk levedygtighed : Lange løkkemetoder er dyre på grund af kemikalier og energiforbrug. Korte løkkemetoder er billigere, men begrænset til skrot af høj kvalitet.
• Skalerbarhed : De fleste industrianlæg (f.eks. HyProMag, REEcycle) er i pilotskala. Implementering i stor skala kræver politisk støtte (f.eks. tilskud, udvidet producentansvar).

Fremtidige innovationer :

• Mikrobølgeassisteret behandling : Hurtig, energieffektiv opvarmning til oxidation af magneter eller fremme af forbrænding.
• Avancerede sorteringsteknologier : AI-drevne sensorer til at adskille magneter fra e-affald efter sammensætning og geometri.
• Cirkulære økonomiske modeller : Integrering af genbrug i produktdesign (f.eks. modulære enheder til nem fjernelse af magneter).

5. Konklusion

Effektiv genbrug af skrotede NdFeB-magneter kan opnås gennem kortløbsmetoder som hydrogendekrepitation og magnet-til-magnet-behandling, som bevarer magnetiske egenskaber, samtidig med at miljøpåvirkningen reduceres. Ved at optimere modifikation af korngrænser, tryk og temperatur kan genbrugte magneter matche eller overgå ydeevnen af ​​jomfruelige materialer i applikationer som elbiler og vindmøller. Opskalering af genbrug kræver dog, at man adresserer materialevariabilitet, økonomiske barrierer og teknologiske huller. Samarbejde mellem regeringer, producenter og forskere er afgørende for at omstille til en cirkulær økonomi for NdFeB-magneter og sikre bæredygtig adgang til kritiske REE'er til fremtidige teknologier.