Wie können die ausrangierten Ndfeb-Magnete effizient recycelt werden? Können die magnetischen Eigenschaften nach dem Recycling denen der Originalmaterialien nahe kommen?

2. Recyclingtechnologien für NdFeB-Magnete

Recyclingmethoden für NdFeB-Magnete lassen sich in zwei Kategorien einteilen: Long-Loop (chemische Extraktion der Seltenen Erden) und Short-Loop (direkte Wiederverwendung oder Wiederaufbereitung). Die Wahl hängt von der Art des Abfalls (z. B. Produktionsabfälle oder Altprodukte), den Kosten und den Umweltauswirkungen ab.

2.1 Recycling im Langzeitkreislauf: Chemische Extraktion von Seltenen Erden

Beim Long-Loop-Recycling werden Magnete in einzelne Seltene Erden zerlegt, die dann zu neuen Magneten oder Oxiden weiterverarbeitet werden. Zu den wichtigsten Methoden gehören:

• Hydrometallurgie:
  • Verfahren : Magnete werden in Säuren (z. B. HCl, H₂SO₄) gelöst. Anschließend werden die Seltenen Erden mittels Lösungsmittelextraktion oder selektiver Fällung isoliert. Die Santoku Corporation beispielsweise zermahlt Magnete zu Partikeln <75 μm, oxidiert sie bei erhöhten Temperaturen in NaOH und laugt die Seltenen Erden selektiv aus.
  • Vorteile : Hohe Reinheit (99 %+ Seltenerdmetall-Rückgewinnung), geeignet für komplexen Schrott.
  • Herausforderungen : Hoher Chemikalienverbrauch, Kosten für die Abwasserbehandlung und hoher Energieverbrauch (z. B. Heizung für die Auslaugung).
• Pyrometallurgie:
  • Verfahren : Magnete werden mit Flussmitteln (z. B. CaO, MgO) erhitzt, um Schlacke mit Seltenen Erden zu bilden, die dann zu Metallen reduziert werden. Beispielsweise erweitern Sulfatrösten und Nitrifikationsrösten die Pyrometallurgie durch die Veränderung des Oxidationszustands.
  • Vorteile : Skalierbar für große Mengen, minimaler Flüssigkeitsabfall.
  • Herausforderungen : Hoher Energieeinsatz (1.200–1.600 °C), potenzielle Luftverschmutzung durch Staubemissionen.
• Elektrochemische Methoden:
  • Verfahren : Verwenden Sie Elektrolyse, um Seltene Erden aus geschmolzenen Salzen oder wässrigen Lösungen zu extrahieren. Diese Methode ist weniger verbreitet, ermöglicht aber eine präzise Trennung der Seltenen Erden.
  • Vorteile : Geringer chemischer Abfall, Potenzial für selektive Rückgewinnung.
  • Herausforderungen : Hohe Kapitalkosten für Spezialausrüstung.

2.2 Short-Loop-Recycling: Direkte Wiederverwendung oder Wiederaufbereitung

Beim Kurzkreislauf-Recycling wird die chemische Extraktion umgangen, wodurch die Struktur des Magneten für die Wiederverwendung oder die Aufbereitung zu neuen Magneten erhalten bleibt. Zu den wichtigsten Methoden gehören:

• Wasserstoffdekrepitation (HD):
  • Verfahren : Magnete werden Wasserstoffgas ausgesetzt, wodurch sie aufgrund der Volumenausdehnung in der Nd₂Fe₁₄B-Phase zu Pulver zerbrechen. Das Pulver wird dann gepresst und zu neuen Magneten gesintert.
  • Vorteile : Energieeffizient (88 % weniger Energie als bei der Primärproduktion), behält die magnetischen Eigenschaften.
  • Fallstudie : Die patentierte Hydrogen Processing of Magnet Scrap (HPMS)-Technologie von HyProMag gewinnt NdFeB-Legierungspulver aus Schrott zurück und erreicht dabei eine REE-Rückgewinnungseffizienz von 99,8 %.
• Magnet-zu-Magnet-Recycling:
  • Prozess : Schrottmagnete entmagnetisieren, reinigen (Beschichtungen und Klebstoff entfernen) und in neue Formen bringen. Hitachi Metals recycelt beispielsweise über 90 % seiner Produktionsabfälle zu neuen Magneten.
  • Vorteile : Minimaler Materialverlust, geringe Kosten für Produktionsausschuss.
  • Herausforderungen : Beschränkt auf Magnete mit intakten physikalischen Eigenschaften (z. B. keine Korrosion oder Brüche).
• Direktschmelzen:
  • Verfahren : Schrottmagnete werden eingeschmolzen und zu neuen Legierungen gegossen. Dieses Verfahren ist aufgrund der Gefahr der Einlagerung von Verunreinigungen weniger verbreitet.
  • Vorteile : Einfach für homogenen Schrott.
  • Herausforderungen : Erfordert eine strenge Qualitätskontrolle, um eine Verschlechterung zu vermeiden.

3. Wiederherstellung der magnetischen Eigenschaften in recycelten Magneten

Die magnetischen Eigenschaften recycelter NdFeB-Magnete hängen von der Recyclingmethode, der Schrottqualität und den Nachbehandlungsmaßnahmen ab. Zu den wichtigsten Faktoren gehören:

3.1 Korngrenzenmodifikation (GBM)

• Prinzip : Die magnetischen Eigenschaften von NdFeB-Magneten hängen von der Mikrostruktur ab: Die Nd₂Fe₁₄B-Matrix sorgt für eine hohe Magnetisierung, während die Korngrenzenphase (reich an Nd und Seltenen Erden) die Körner isoliert, um den Verlust der Koerzitivkraft zu verringern.
• Verfahren : Durch Zugabe von Seltenerdmetallhydriden (z. B. DyH₃-Nanopartikeln) während des Sinterns werden die Korngrenzen verändert. Liu et al. konnten nachweisen, dass durch Zugabe von 1 % DyH₃ vor dem Sintern bis zu 89 % des ursprünglichen (BH)max (maximalen Energieprodukts) wiederhergestellt werden können.
• Ergebnis : GBM erhöht die Koerzitivfeldstärke und Remanenz, wodurch recycelte Magnete für Hochleistungsanwendungen wie Traktionsmotoren geeignet werden.

3.2 Optimierung von Druck und Temperatur

• Druck : Bei HD- und HDDR-Prozessen (Hydrogen Decrepitation-Disproportionation-Desorption-Recombination) beschleunigt ein Druck über 1 bar die Wasserstoffabsorption, verringert jedoch die magnetischen Eigenschaften. Der optimale Druck für eine nachhaltige Verarbeitung beträgt 50 kPa .
• Temperatur : Das Sintern bei 1.000–1.100 °C ist für die Verdichtung entscheidend. Abweichungen können zu Porosität oder Kornwachstum führen und die Eigenschaften verschlechtern.

3.3 Fallstudien: Leistung von recycelten Magneten

• Elektromotoren : In einer Studie wurden zwei identische Motoren verglichen – einer mit recycelten NdFeB-Magneten (durch Magnet-zu-Magnet-Verarbeitung) und der andere mit neuen Magneten. Die recycelten Magnete wiesen trotz eines um 15 % geringeren Dysprosiumgehalts eine um 7,0 % höhere Flussverkettung im Leerlauf und ein um 6,4 % höheres Drehmoment auf.
• Industrielle Anwendungen : Recycelte Magnete aus MRT-Scannern, Pumpen und Windturbinen zeigten ähnliche Eigenschaften wie neue Magnete (z. B. Remanenz Br = 1,16–1,29 T, Koerzitivfeldstärke HcJ = 1.147–1.590 kA/m).

4. Herausforderungen und zukünftige Richtungen

Trotz der Fortschritte ist das Recycling von NdFeB-Magneten mit Herausforderungen verbunden:

• Schwankungen in der Materialqualität : Der Zustand des Schrotts (z. B. Korrosion, Beschichtungen) beeinflusst die Recyclingeffizienz. So müssen beispielsweise Klebstoffrückstände von gebundenen Magneten durch alkalische Röstung entfernt werden.
• Wirtschaftlichkeit : Langfristige Verfahren sind aufgrund des Chemikalien- und Energieeinsatzes kostspielig. Kurzfristige Verfahren sind günstiger, können aber nur hochwertigen Schrott verarbeiten.
• Skalierbarkeit : Die meisten Industrieanlagen (z. B. HyProMag, REEcycle) sind Pilotanlagen. Für die großflächige Einführung ist politische Unterstützung erforderlich (z. B. Subventionen, erweiterte Herstellerverantwortung).

Zukünftige Innovationen :

• Mikrowellenunterstützte Verarbeitung : Schnelle, energieeffiziente Erwärmung zur Oxidation von Magneten oder zur Unterstützung der Verbrennung.
• Fortschrittliche Sortiertechnologien : KI-gestützte Sensoren trennen Magnete nach Zusammensetzung und Geometrie von Elektroschrott.
• Modelle der Kreislaufwirtschaft : Integration des Recyclings in das Produktdesign (z. B. modulare Geräte zur einfachen Entfernung von Magneten).

5. Fazit

Effizientes Recycling von NdFeB-Magneten ist durch Kurzkreislaufverfahren wie Wasserstoffdekrepitation und Magnet-zu-Magnet-Verarbeitung möglich, die die magnetischen Eigenschaften erhalten und gleichzeitig die Umweltbelastung reduzieren. Durch Optimierung von Korngrenzenmodifikation, Druck und Temperatur können recycelte Magnete die Leistung von Neumaterialien in Anwendungen wie Elektrofahrzeugen und Windkraftanlagen erreichen oder übertreffen. Um das Recycling zu steigern, müssen jedoch Materialvariabilität, wirtschaftliche Barrieren und technologische Lücken berücksichtigt werden. Gemeinsame Anstrengungen von Regierungen, Herstellern und Forschern sind unerlässlich, um den Übergang zu einer Kreislaufwirtschaft für NdFeB-Magnete zu ermöglichen und einen nachhaltigen Zugang zu kritischen Seltenen Erden für zukünftige Technologien zu gewährleisten.