Comment recycler efficacement les aimants NdFeB mis au rebut ? Les propriétés magnétiques après recyclage peuvent-elles être proches de celles des matériaux d'origine ?

2. Technologies de recyclage des aimants NdFeB

Les méthodes de recyclage des aimants NdFeB se divisent en deux catégories : le recyclage en boucle longue (extraction chimique des terres rares) et le recyclage en boucle courte (réutilisation directe ou reconditionnement). Le choix dépend du type de déchets (par exemple, déchets de production ou produits en fin de vie), du coût et de l'impact environnemental.

2.1 Recyclage en boucle longue : extraction chimique des terres rares

Le recyclage en boucle longue consiste à décomposer les aimants en terres rares individuelles, qui sont ensuite retraitées pour produire de nouveaux aimants ou oxydes. Les principales méthodes comprennent :

• Hydrométallurgie:
  • Procédé : Dissoudre les aimants dans des acides (par exemple, HCl, H₂SO₄), puis utiliser une extraction par solvant ou une précipitation sélective pour isoler les terres rares. Par exemple, Santoku Corporation broie les aimants en particules < 75 µm, les oxyde dans de la soude à haute température et lessive sélectivement les terres rares.
  • Avantages : Haute pureté (99%+ de récupération de terres rares), adapté aux déchets complexes.
  • Défis : Consommation élevée de produits chimiques, coûts de traitement des eaux usées et consommation d’énergie (par exemple, chauffage pour la lixiviation).
• Pyrométallurgie:
  • Procédé : Chauffer des aimants avec des fondants (par exemple, CaO, MgO) pour former des scories contenant des terres rares, qui sont ensuite réduites en métaux. Par exemple, le grillage par sulfate et le grillage par nitrification prolongent la pyrométallurgie en modifiant les états d'oxydation.
  • Avantages : Évolutif pour les grands volumes, gaspillage liquide minimal.
  • Défis : Apport énergétique élevé (1 200–1 600 °C), pollution atmosphérique potentielle due aux émissions de poussières.
• Méthodes électrochimiques:
  • Procédé : Utiliser l'électrolyse pour extraire les terres rares des sels fondus ou des solutions aqueuses. Cette méthode est moins courante, mais offre une séparation précise des terres rares.
  • Avantages : Faible rejet chimique, potentiel de valorisation sélective.
  • Défis : Coûts d’investissement élevés pour les équipements spécialisés.

2.2 Recyclage en boucle courte : réutilisation directe ou reconditionnement

Le recyclage en boucle courte évite l'extraction chimique et préserve la structure de l'aimant pour sa réutilisation ou son retraitement en de nouveaux aimants. Les principales méthodes sont les suivantes :

• Décrépitation de l'hydrogène (HD):
  • Procédé : Les aimants sont exposés à l'hydrogène gazeux, ce qui provoque leur fragmentation en poudre par expansion volumique de la phase Nd₂Fe₁₄B. La poudre est ensuite pressée et frittée pour former de nouveaux aimants.
  • Avantages : Économe en énergie (88% d'énergie en moins que la production primaire), conserve les propriétés magnétiques.
  • Étude de cas : La technologie brevetée de traitement à l'hydrogène des déchets magnétiques (HPMS) d'HyProMag récupère la poudre d'alliage NdFeB à partir de déchets, atteignant une efficacité de récupération des terres rares de 99,8 %.
• Recyclage d'aimant à aimant:
  • Procédé : Démagnétiser les aimants usagés, les nettoyer (retrait des revêtements et de la colle) et leur donner une nouvelle forme. Par exemple, Hitachi Metals recycle plus de 90 % de ses déchets de production pour fabriquer de nouveaux aimants.
  • Avantages : Perte de matière minimale, faible coût de rebut de production.
  • Défis : Limité aux aimants ayant des propriétés physiques intactes (par exemple, pas de corrosion ni de rupture).
• Fusion directe:
  • Procédé : Fondre des aimants usagés et les mouler pour obtenir de nouveaux alliages. Cette méthode est moins courante en raison du risque d'incorporation d'impuretés.
  • Avantages : Simple pour des chutes homogènes.
  • Défis : Nécessite un contrôle qualité strict pour éviter toute dégradation.

3. Restauration des propriétés magnétiques des aimants recyclés

Les propriétés magnétiques des aimants NdFeB recyclés dépendent de la méthode de recyclage, de la qualité des déchets et des traitements post-traitement. Les facteurs clés sont les suivants :

3.1 Modification des limites de grains (GBM)

• Principe : Les propriétés magnétiques des aimants NdFeB dépendent de la microstructure : la matrice Nd₂Fe₁₄B assure une forte aimantation, tandis que la phase de joint de grains (riche en Nd et REE) isole les grains pour réduire les pertes de coercivité.
• Procédé : Ajouter des hydrures de terres rares (par exemple, des nanoparticules de DyH₃) pendant le frittage pour modifier les joints de grains. Liu et al. ont démontré que l'ajout de 1 % de DyH₃ avant le frittage permet de récupérer jusqu'à 89 % du (BH)max d'origine (produit énergétique maximal).
• Résultat : Le GBM améliore la coercivité et la rémanence, rendant les aimants recyclés adaptés aux applications hautes performances comme les moteurs de traction.

3.2 Optimisation de la pression et de la température

• Pression : Dans les procédés HD et HDDR (décrépitation-dismutation-désorption-recombinaison de l'hydrogène), une augmentation de la pression au-dessus de 1 bar accélère l'absorption de l'hydrogène mais réduit les propriétés magnétiques. La pression optimale pour un traitement durable est de 50 kPa .
• Température : Le frittage à 1 000–1 100 °C est essentiel à la densification. Des écarts peuvent entraîner une porosité ou une croissance des grains, dégradant ainsi les propriétés.

3.3 Études de cas : Performance des aimants recyclés

• Moteurs électriques : Une étude a comparé deux moteurs identiques, l'un utilisant des aimants NdFeB recyclés (par traitement aimant-à-aimant) et l'autre utilisant des aimants vierges. Les aimants recyclés présentaient un flux de liaison à circuit ouvert supérieur de 7,0 % et un couple supérieur de 6,4 % malgré une teneur en dysprosium inférieure de 15 % .
• Applications industrielles : Les aimants recyclés provenant de scanners IRM, de pompes et d'éoliennes ont montré des propriétés similaires à celles des aimants vierges (par exemple, rémanence Br = 1,16–1,29 T, coercivité HcJ = 1 147–1 590 kA/m).

4. Défis et orientations futures

Malgré les progrès réalisés, le recyclage des aimants NdFeB est confronté à des défis :

• Variabilité de la qualité des matériaux : L'état des déchets (corrosion, revêtements, etc.) affecte l'efficacité du recyclage. Par exemple, les résidus de colle provenant d'aimants collés nécessitent une calcination alcaline pour être éliminés.
• Viabilité économique : Les méthodes à boucle longue sont coûteuses en raison des intrants chimiques et énergétiques. Les méthodes à boucle courte sont moins chères, mais limitées aux déchets de haute qualité.
• Évolutivité : La plupart des installations industrielles (par exemple, HyProMag, REEcycle) sont à l'échelle pilote. Une adoption à grande échelle nécessite un soutien politique (par exemple, subventions, responsabilité élargie des producteurs).

Innovations futures :

• Traitement assisté par micro-ondes : Chauffage rapide et économe en énergie pour oxyder les aimants ou aider à la combustion.
• Technologies de tri avancées : capteurs alimentés par l'IA pour séparer les aimants des déchets électroniques par composition et géométrie.
• Modèles d’économie circulaire : intégration du recyclage dans la conception des produits (par exemple, dispositifs modulaires pour un retrait facile des aimants).

5. Conclusion

Le recyclage efficace des aimants NdFeB usagés est possible grâce à des méthodes en boucle courte, comme la décrépitation à l'hydrogène et le traitement aimant-à-aimant, qui préservent les propriétés magnétiques tout en réduisant l'impact environnemental. En optimisant la modification des joints de grains, la pression et la température, les aimants recyclés peuvent égaler, voire dépasser, les performances des matériaux vierges dans des applications telles que les véhicules électriques et les éoliennes. Cependant, l'intensification du recyclage nécessite de prendre en compte la variabilité des matériaux, les obstacles économiques et les lacunes technologiques. La collaboration entre les gouvernements, les fabricants et les chercheurs est essentielle pour assurer la transition vers une économie circulaire pour les aimants NdFeB, garantissant ainsi un accès durable aux terres rares essentielles aux technologies futures.