چگونه می‌توان آهنرباهای Ndfeb اسقاطی را به طور موثر بازیافت کرد؟ آیا خواص مغناطیسی پس از بازیافت می‌تواند نزدیک به خواص مغناطیسی مواد اولیه باشد؟

۲. فناوری‌های بازیافت آهنرباهای NdFeB

روش‌های بازیافت آهنرباهای NdFeB به دو دسته تقسیم می‌شوند: حلقه بلند (استخراج شیمیایی عناصر کمیاب خاکی) و حلقه کوتاه (استفاده مجدد مستقیم یا بازسازی). انتخاب روش به نوع ضایعات (مثلاً ضایعات تولید در مقابل محصولات پایان عمر)، هزینه و تأثیر زیست‌محیطی بستگی دارد.

۲.۱ بازیافت حلقه طولانی: استخراج شیمیایی عناصر کمیاب خاکی

بازیافت حلقه طولانی شامل تجزیه آهنرباها به عناصر کمیاب خاکی کمیاب است که سپس به آهنرباها یا اکسیدهای جدید تبدیل می‌شوند. روش‌های کلیدی عبارتند از:

• هیدرومتالورژی:
  • فرآیند : آهنرباها را در اسیدها (مثلاً HCl، H₂SO₄) حل کنید، سپس از استخراج با حلال یا رسوب‌دهی انتخابی برای جداسازی عناصر کمیاب خاکی استفاده کنید. به عنوان مثال، شرکت سانتوکو آهنرباها را به ذراتی با اندازه کمتر از 75 میکرومتر خرد می‌کند، آنها را در NaOH در دماهای بالا اکسید می‌کند و عناصر کمیاب خاکی را به صورت انتخابی جدا می‌کند.
  • مزایا : خلوص بالا (بازیابی ۹۹٪+ عناصر کمیاب)، مناسب برای قراضه‌های پیچیده.
  • چالش‌ها : مصرف بالای مواد شیمیایی، هزینه‌های تصفیه فاضلاب و مصرف انرژی (مثلاً گرمایش برای شستشو).
• پیرومتالورژی:
  • فرآیند : آهنرباها را با مواد گدازآور (مثلاً CaO، MgO) گرم می‌کنند تا سرباره حاوی عناصر کمیاب خاکی (REEs) تشکیل شود که سپس به فلزات احیا می‌شوند. به عنوان مثال، تشویه سولفات و تشویه نیتریفیکاسیون با تغییر حالت‌های اکسیداسیون، پیرومتالورژی را گسترش می‌دهند.
  • مزایا : قابل توسعه برای حجم‌های زیاد، حداقل ضایعات مایع.
  • چالش‌ها : ورودی انرژی بالا (۱۲۰۰ تا ۱۶۰۰ درجه سانتیگراد)، آلودگی احتمالی هوا ناشی از انتشار گرد و غبار.
• روش‌های الکتروشیمیایی:
  • فرآیند : از الکترولیز برای استخراج عناصر کمیاب خاکی از نمک‌های مذاب یا محلول‌های آبی استفاده کنید. این روش کمتر رایج است اما دقت بالایی در جداسازی عناصر کمیاب خاکی ارائه می‌دهد.
  • مزایا : ضایعات شیمیایی کم، پتانسیل بازیابی انتخابی.
  • چالش‌ها : هزینه‌های بالای سرمایه برای تجهیزات تخصصی.

۲.۲ بازیافت حلقه کوتاه: استفاده مجدد مستقیم یا بازسازی

بازیافت حلقه کوتاه، استخراج شیمیایی را دور می‌زند و ساختار آهنربا را برای استفاده مجدد یا پردازش مجدد به آهنرباهای جدید حفظ می‌کند. روش‌های کلیدی عبارتند از:

• کاهش هیدروژن (HD):
  • فرآیند : آهنرباها را در معرض گاز هیدروژن قرار می‌دهند که باعث می‌شود به دلیل انبساط حجمی در فاز Nd₂Fe₁₄B، به پودر تبدیل شوند. سپس پودر فشرده و به آهنرباهای جدید تبدیل می‌شود.
  • مزایا : کم‌مصرف (۸۸٪ انرژی کمتر نسبت به تولید اولیه)، حفظ خواص مغناطیسی.
  • مطالعه موردی : فناوری ثبت اختراع شده HyProMag با نام پردازش هیدروژنی ضایعات مغناطیسی (HPMS)، پودر آلیاژ NdFeB را از ضایعات بازیابی می‌کند و به راندمان بازیابی 99.8٪ عناصر کمیاب دست می‌یابد.
• بازیافت آهنربا به آهنربا:
  • فرآیند : آهنرباهای ضایعاتی را مغناطیس‌زدایی کنید، آنها را تمیز کنید (پوشش‌ها، چسب را بردارید) و آنها را به شکل‌های هندسی جدید تغییر دهید. به عنوان مثال، هیتاچی متالز بیش از ۹۰٪ از ضایعات تولیدی خود را به آهنرباهای جدید بازیافت می‌کند.
  • مزایا : حداقل اتلاف مواد، هزینه کم برای ضایعات تولید.
  • چالش‌ها : محدود به آهنرباهایی با خواص فیزیکی سالم (مثلاً بدون خوردگی یا شکستگی).
• ذوب مستقیم:
  • فرآیند : ذوب کردن آهن‌رباهای قراضه و تبدیل آنها به آلیاژهای جدید. این روش به دلیل خطر ترکیب ناخالصی کمتر رایج است.
  • مزایا : برای قراضه همگن ساده است.
  • چالش‌ها : برای جلوگیری از تخریب، به کنترل کیفیت دقیق نیاز دارد.

۳. بازیابی خواص مغناطیسی در آهنرباهای بازیافتی

خواص مغناطیسی آهنرباهای NdFeB بازیافتی به روش بازیافت، کیفیت ضایعات و عملیات پس از پردازش بستگی دارد. عوامل کلیدی عبارتند از:

۳.۱ اصلاح مرز دانه (GBM)

• اصل : خواص مغناطیسی آهنرباهای NdFeB به ریزساختار بستگی دارد: ماتریس Nd₂Fe₁₄B مغناطش بالایی را فراهم می‌کند، در حالی که فاز مرز دانه (غنی از Nd و REEs) دانه‌ها را ایزوله می‌کند تا از اتلاف نیروی وادارندگی جلوگیری شود.
• فرآیند : هیدریدهای REE (مثلاً نانوذرات DyH₃) را در حین زینترینگ اضافه کنید تا مرز دانه‌ها اصلاح شوند. لیو و همکارانش نشان دادند که افزودن ۱٪ DyH₃ قبل از زینترینگ، تا ۸۹٪ از (BH)max (حداکثر انرژی حاصل) اصلی را بازیابی می‌کند.
• نتیجه : GBM باعث افزایش وادارندگی و پسماند مغناطیسی می‌شود و آهنرباهای بازیافتی را برای کاربردهای با کارایی بالا مانند موتورهای کششی مناسب می‌سازد.

۳.۲ بهینه‌سازی فشار و دما

• فشار : در فرآیندهای HD و HDDR (کاهش-نامتناسب-واجذب-بازترکیب هیدروژن)، افزایش فشار بالاتر از ۱ بار، جذب هیدروژن را تسریع می‌کند اما خواص مغناطیسی را کاهش می‌دهد. فشار بهینه برای فرآوری پایدار ۵۰ کیلوپاسکال است.
• دما : تف‌جوشی در دمای ۱۰۰۰ تا ۱۱۰۰ درجه سانتی‌گراد برای متراکم‌سازی بسیار مهم است. انحراف از این دما می‌تواند منجر به تخلخل یا رشد دانه و در نتیجه کاهش خواص شود.

۳.۳ مطالعات موردی: عملکرد آهنرباهای بازیافتی

• موتورهای الکتریکی : در یک مطالعه، دو موتور یکسان - یکی با استفاده از آهنرباهای بازیافتی NdFeB (از طریق پردازش آهنربا به آهنربا) و دیگری با استفاده از آهنرباهای دست نخورده - مقایسه شدند. آهنرباهای بازیافتی با وجود داشتن ۱۵٪ محتوای دیسپروزیم کمتر، ۷٪ پیوند شار مدار باز بالاتر و ۶.۴٪ گشتاور بالاتر نشان دادند.
• کاربردهای صنعتی : آهنرباهای بازیافتی از اسکنرهای MRI، پمپ‌ها و توربین‌های بادی خواصی مشابه آهنرباهای دست نخورده نشان دادند (به عنوان مثال، پسماند Br = 1.16-1.29 T، وادارندگی HcJ = 1,147-1,590 kA/m).

۴. چالش‌ها و مسیرهای آینده

با وجود پیشرفت‌ها، بازیافت آهنرباهای NdFeB با چالش‌هایی روبرو است:

• تغییرپذیری کیفیت مواد : شرایط ضایعات (مثلاً خوردگی، پوشش‌ها) بر راندمان بازیافت تأثیر می‌گذارد. به عنوان مثال، بقایای چسب از آهنرباهای متصل شده برای حذف نیاز به برشته شدن قلیایی دارند.
• توجیه اقتصادی : روش‌های حلقه بلند به دلیل مصرف مواد شیمیایی و انرژی پرهزینه هستند. روش‌های حلقه کوتاه ارزان‌تر هستند اما محدود به ضایعات با کیفیت بالا می‌باشند.
• مقیاس‌پذیری : اکثر کارخانه‌های صنعتی (مثلاً HyProMag، REEcycle) در مقیاس پایلوت هستند. پذیرش در مقیاس بزرگ نیاز به حمایت سیاستی دارد (مثلاً یارانه‌ها، مسئولیت گسترده تولیدکننده).

نوآوری‌های آینده :

• پردازش با کمک مایکروویو : گرمایش سریع و با مصرف انرژی کم برای اکسید کردن آهنرباها یا کمک به احتراق.
• فناوری‌های پیشرفته دسته‌بندی : حسگرهای مبتنی بر هوش مصنوعی برای جداسازی آهنرباها از زباله‌های الکترونیکی بر اساس ترکیب و هندسه.
• مدل‌های اقتصاد چرخشی : ادغام بازیافت در طراحی محصول (مثلاً دستگاه‌های ماژولار برای حذف آسان آهنربا).

۵. نتیجه‌گیری

بازیافت کارآمد آهنرباهای NdFeB ضایعاتی از طریق روش‌های حلقه کوتاه مانند تخریب هیدروژن و پردازش آهنربا به آهنربا قابل دستیابی است که ضمن کاهش اثرات زیست‌محیطی، خواص مغناطیسی را حفظ می‌کنند. با بهینه‌سازی اصلاح مرز دانه، فشار و دما، آهنرباهای بازیافتی می‌توانند عملکرد مواد اولیه را در کاربردهایی مانند وسایل نقلیه الکتریکی و توربین‌های بادی مطابقت دهند یا از آنها پیشی بگیرند. با این حال، افزایش مقیاس بازیافت نیاز به پرداختن به تنوع مواد، موانع اقتصادی و شکاف‌های فناوری دارد. تلاش‌های مشترک بین دولت‌ها، تولیدکنندگان و محققان برای گذار به اقتصاد چرخشی برای آهنرباهای NdFeB ضروری است و دسترسی پایدار به عناصر کمیاب حیاتی برای فناوری‌های آینده را تضمین می‌کند.