Miten romutetut Ndfeb-magneetit voidaan kierrättää tehokkaasti? Voivatko kierrätyksen jälkeen niiden magneettiset ominaisuudet olla lähellä alkuperäisten materiaalien ominaisuuksia?

2. NdFeB-magneettien kierrätystekniikat

NdFeB-magneettien kierrätysmenetelmät voidaan jakaa kahteen luokkaan: pitkäsilmukkaisiin (harvinaisten metallien kemiallinen uuttaminen) ja lyhytsilmukkaisiin (suora uudelleenkäyttö tai uudelleenvalmistus). Valinta riippuu romun tyypistä (esim. tuotantojäte vs. käytöstä poistetut tuotteet), kustannuksista ja ympäristövaikutuksista.

2.1 Pitkän kierron kierrätys: harvinaisten maametallien kemiallinen uutto

Pitkän kierron kierrätyksessä magneettien hajottaminen yksittäisiksi harvinaisiksi maametalliksi (REE) jalostetaan sitten uusiksi magneeteiksi tai oksideiksi. Keskeisiä menetelmiä ovat:

• Hydrometallurgia:
  • Prosessi : Liuota magneetit happoihin (esim. HCl, H₂SO₄) ja eristä sitten harvinaiset epäpuhtaudet liuotinuutolla tai selektiivisellä saostuksella. Esimerkiksi Santoku Corporation jauhaa magneetit alle 75 μm:n hiukkasiksi, hapettaa ne NaOH:ssa korotetuissa lämpötiloissa ja liuottaa harvinaiset epäpuhtaudet selektiivisesti.
  • Edut : Korkea puhtausaste (yli 99 % harvinaisten epäpuhtauksien talteenotto), sopii monimutkaiselle romulle.
  • Haasteet : Suuri kemikaalien kulutus, jätevedenpuhdistuskustannukset ja energiankulutus (esim. lämmitys liuotusta varten).
• Pyrometallurgia:
  • Prosessi : Magneetteja kuumennetaan juoksuteilla (esim. CaO, MgO), jolloin muodostuu harvinaisia ​​maaöljyjä sisältävää kuonaa, joka sitten pelkistetään metalleiksi. Esimerkiksi sulfaatti- ja nitrifikaatiopoltto laajentavat pyrometallurgiaa muuttamalla hapetustiloja.
  • Edut : Skaalautuva suurille määrille, minimaalinen nestemäinen jäte.
  • Haasteet : Suuri energiankulutus (1 200–1 600 °C), pölypäästöjen mahdollinen ilmansaaste.
• Sähkökemialliset menetelmät:
  • Prosessi : Harvinaisia ​​epäpuhtauksia uutetaan suloista tai vesiliuoksista elektrolyysillä. Tämä menetelmä on harvinaisempi, mutta tarjoaa tarkkuutta harvinaisten epäpuhtauksien erottelussa.
  • Edut : Vähäinen kemiallinen jäte, mahdollisuus valikoivaan talteenottoon.
  • Haasteet : Erikoislaitteiden korkeat pääomakustannukset.

2.2 Lyhytkiertoinen kierrätys: Suora uudelleenkäyttö tai uudelleenvalmistus

Lyhytkiertoinen kierrätys ohittaa kemiallisen uuton, säilyttäen magneetin rakenteen uudelleenkäyttöä tai uusien magneettien valmistusta varten. Keskeisiä menetelmiä ovat:

• Vetydekrepitaatio (HD):
  • Prosessi : Altista magneetit vetykaasulle, jolloin ne murtuvat jauheeksi Nd₂Fe₁₄B-faasin tilavuuden laajenemisen vuoksi. Jauhe puristetaan ja sintrataan sitten uusiksi magneeteiksi.
  • Edut : Energiatehokas (88 % vähemmän energiaa kuin perustuotannossa), säilyttää magneettiset ominaisuudet.
  • Case-tutkimus : HyProMagin patentoitu vetykäsittelyteknologia (HPMS) ottaa talteen NdFeB-seosjauhetta romusta ja saavuttaa 99,8 %:n harvinaisten metallien talteenottotehokkuuden.
• Magneetista magneettiin kierrätys:
  • Prosessi : Demagnetoi romumagneetit, puhdista ne (poista pinnoitteet ja liima) ja muotoile ne uudelleen uusiin geometrioihin. Esimerkiksi Hitachi Metals kierrättää yli 90 % tuotantojätteestään uusiksi magneeteiksi.
  • Edut : Minimaalinen materiaalihävikki, alhaiset tuotantojätteen kustannukset.
  • Haasteet : Rajoitettu magneetteihin, joilla on ehjät fyysiset ominaisuudet (esim. ei korroosiota tai rikkoutumista).
• Suora sulaminen:
  • Prosessi : Sulata romumagneetit ja vala niistä uusia seoksia. Tämä menetelmä on harvinaisempi epäpuhtauksien joutumisriskin vuoksi.
  • Edut : Yksinkertainen homogeeniselle romulle.
  • Haasteet : Vaatii tiukkaa laadunvalvontaa laadun heikkenemisen välttämiseksi.

3. Kierrätettyjen magneettien magneettisten ominaisuuksien palauttaminen

Kierrätettyjen NdFeB-magneettien magneettiset ominaisuudet riippuvat kierrätysmenetelmästä, romun laadusta ja jälkikäsittelyistä. Keskeisiä tekijöitä ovat:

3.1 Viljan rajan muokkaus (GBM)

• Periaate : NdFeB-magneettien magneettiset ominaisuudet riippuvat mikrorakenteesta: Nd₂Fe₁₄B-matriisi tarjoaa suuren magnetisoinnin, kun taas raerajafaasi (runsaasti Nd:tä ja REE:itä) eristää rakeet vähentäen koersitiivisuushäviöitä.
• Prosessi : Lisää harvinaisia ​​maaöljyhydridejä (esim. DyH₃-nanohiukkasia) sintrauksen aikana raerajojen muuttamiseksi. Liu ym. osoittivat, että 1 % DyH₃:n lisääminen ennen sintrausta saa talteen jopa 89 % alkuperäisestä (BH)max-arvosta (maksimienergiatuote).
• Tulos : GBM parantaa koersitiivisuutta ja remanenssia, mikä tekee kierrätetyistä magneeteista sopivia tehokkaisiin sovelluksiin, kuten vetomoottoreihin.

3.2 Paineen ja lämpötilan optimointi

• Paine : HD- ja HDDR-prosesseissa (Hydrogen Decrepitation-Disproportionation-Desorption-Recombination) paineen nostaminen yli 1 baarin kiihdyttää vedyn imeytymistä, mutta heikentää magneettisia ominaisuuksia. Optimaalinen paine kestävälle prosessoinnille on 50 kPa .
• Lämpötila : Sintraus 1 000–1 100 °C:ssa on kriittistä tiivistymisen kannalta. Poikkeamat voivat johtaa huokoisuuteen tai rakeiden kasvuun, mikä heikentää ominaisuuksia.

3.3 Case-tutkimukset: Kierrätettyjen magneettien suorituskyky

• Sähkömoottorit : Tutkimuksessa verrattiin kahta identtistä moottoria – toisessa käytettiin kierrätettyjä NdFeB-magneetteja (magneetti-magneetti-prosessoinnin avulla) ja toisessa neitseellisiä magneetteja. Kierrätetyillä magneeteilla oli 7,0 % suurempi avoimen piirin vuonkytkentä ja 6,4 % suurempi vääntömomentti, vaikka niiden dysprosiumpitoisuus oli 15 % pienempi .
• Teolliset sovellukset : Kierrätetyillä magneeteilla magneettikuvauslaitteista, pumpuista ja tuuliturbiineista oli samanlaisia ​​ominaisuuksia kuin neitseellisillä magneeteilla (esim. jäännösvoima Br = 1,16–1,29 T, koersitiivisuus HcJ = 1 147–1 590 kA/m).

4. Haasteet ja tulevaisuuden suunnat

Edistyksistä huolimatta NdFeB-magneettien kierrätyksessä on haasteita:

• Materiaalilaadun vaihtelu : Romun kunto (esim. korroosio, pinnoitteet) vaikuttaa kierrätystehokkuuteen. Esimerkiksi liimattujen magneettien liimajäämät vaativat alkalipolttoa poistettavaksi.
• Taloudellinen kannattavuus : Pitkän kierron menetelmät ovat kalliita kemikaalien ja energian panosten vuoksi. Lyhyen kierron menetelmät ovat halvempia, mutta ne rajoittuvat korkealaatuiseen romumetalliin.
• Skaalautuvuus : Useimmat teollisuuslaitokset (esim. HyProMag, REEcycle) ovat pilottihankkeita. Laajamittainen käyttöönotto edellyttää poliittista tukea (esim. tuet, laajennettu tuottajan vastuu).

Tulevaisuuden innovaatiot :

• Mikroaaltouunilla avustettu käsittely : Nopea ja energiatehokas lämmitys magneettien hapettamiseksi tai palamisen edistämiseksi.
• Edistykselliset lajitteluteknologiat : Tekoälyllä toimivat anturit erottavat magneetit elektroniikkajätteestä koostumuksen ja geometrian perusteella.
• Kiertotalousmallit : Kierrätyksen integrointi tuotesuunnitteluun (esim. modulaariset laitteet magneetin helppoa poistamista varten).

5. Johtopäätös

Romutettujen NdFeB-magneettien tehokas kierrätys on mahdollista lyhytsilmukkamenetelmillä, kuten vetykäsittelyllä ja magneetti-magneetti-käsittelyllä, jotka säilyttävät magneettiset ominaisuudet ja vähentävät samalla ympäristövaikutuksia. Optimoimalla raerajan muokkausta, painetta ja lämpötilaa kierrätetyt magneetit voivat vastata tai ylittää neitseellisten materiaalien suorituskyvyn sovelluksissa, kuten sähköajoneuvoissa ja tuuliturbiineissa. Kierrätyksen laajentaminen edellyttää kuitenkin materiaalien vaihtelun, taloudellisten esteiden ja teknologisten aukkojen ratkaisemista. Hallitusten, valmistajien ja tutkijoiden välinen yhteistyö on välttämätöntä siirtymiseksi kiertotalouteen NdFeB-magneettien osalta, mikä varmistaa kriittisten harvinaisten maametallien kestävän saatavuuden tulevaisuuden teknologioita varten.