Kako se otpadni Ndfeb magneti mogu učinkovito reciklirati? Mogu li magnetska svojstva nakon recikliranja biti blizu onima originalnih materijala?

2. Tehnologije recikliranja NdFeB magneta

Metode recikliranja NdFeB magneta spadaju u dvije kategorije: duga petlja (kemijska ekstrakcija REE) i kratka petlja (izravna ponovna upotreba ili ponovna proizvodnja). Izbor ovisi o vrsti otpada (npr. proizvodni otpad u odnosu na proizvode na kraju životnog vijeka), troškovima i utjecaju na okoliš.

2.1 Recikliranje u dugom krugu: Kemijska ekstrakcija elemenata rijetkih zemnih plinova (REE)

Recikliranje u dugoj petlji uključuje razgradnju magneta na pojedinačne elemente reda (REE), koji se zatim ponovno prerađuju u nove magnete ili okside. Ključne metode uključuju:

• Hidrometalurgija:
  • Postupak : Otopite magnete u kiselinama (npr. HCl, H₂SO₄), zatim upotrijebite ekstrakciju otapalom ili selektivnu taložnost za izolaciju elemenata rijetkih čestica (REE). Na primjer, Santoku Corporation melje magnete u čestice <75 μm, oksidira ih u NaOH na povišenim temperaturama i selektivno izlužuje elemente rijetkih čestica.
  • Prednosti : Visoka čistoća (99%+ iskorištavanje REE), pogodno za složeni otpad.
  • Izazovi : Visoka potrošnja kemikalija, troškovi pročišćavanja otpadnih voda i potrošnja energije (npr. zagrijavanje za ispiranje).
• Pirometalurgija:
  • Postupak : Zagrijavanje magneta s fluksovima (npr. CaO, MgO) za stvaranje troske koja sadrži REE elemente, koji se zatim reduciraju do metala. Na primjer, sulfatno prženje i nitrifikacijsko prženje proširuju pirometalurgiju modificiranjem oksidacijskih stanja.
  • Prednosti : Skalabilno za velike količine, minimalni otpad tekućine.
  • Izazovi : Visok unos energije (1200–1600 °C), potencijalno onečišćenje zraka emisijama prašine.
• Elektrokemijske metode:
  • Postupak : Za ekstrakciju elemenata reda iz rastaljenih soli ili vodenih otopina koristite elektrolizu. Ova metoda je rjeđa, ali nudi preciznost u odvajanju elemenata reda.
  • Prednosti : Nizak kemijski otpad, potencijal za selektivno oporabljanje.
  • Izazovi : Visoki kapitalni troškovi za specijaliziranu opremu.

2.2 Kratkotrajno recikliranje: izravna ponovna upotreba ili ponovna proizvodnja

Kratkotrajno recikliranje zaobilazi kemijsku ekstrakciju, čuvajući strukturu magneta za ponovnu upotrebu ili preradu u nove magnete. Ključne metode uključuju:

• Dekrepitacija vodika (HD):
  • Postupak : Izložite magnete vodikovom plinu, što uzrokuje njihovo lomljenje u prah zbog širenja volumena u fazi Nd₂Fe₁₄B. Prah se zatim preša i sinterira u nove magnete.
  • Prednosti : Energetski učinkovit (88% manje energije nego primarna proizvodnja), zadržava magnetska svojstva.
  • Studija slučaja : HyProMagova patentirana tehnologija obrade magnetskog otpada vodikom (HPMS) izdvaja prah legure NdFeB iz otpada, postižući učinkovitost izdvajanja REE od 99,8%.
• Recikliranje magneta po magnetu:
  • Postupak : Demagnetizirajte otpadne magnete, očistite ih (uklonite premaze, ljepilo) i preoblikujte ih u nove geometrije. Na primjer, Hitachi Metals reciklira preko 90% svog proizvodnog otpada u nove magnete.
  • Prednosti : Minimalni gubitak materijala, niski troškovi otpada u proizvodnji.
  • Izazovi : Ograničeno na magnete s netaknutim fizičkim svojstvima (npr. bez korozije ili loma).
• Izravno taljenje:
  • Postupak : Taljenje otpadnih magneta i njihovo lijevanje u nove legure. Ova metoda je rjeđa zbog rizika od ugradnje nečistoća.
  • Prednosti : Jednostavno za homogeni otpad.
  • Izazovi : Zahtijeva strogu kontrolu kvalitete kako bi se izbjegla degradacija.

3. Vraćanje magnetskih svojstava recikliranim magnetima

Magnetska svojstva recikliranih NdFeB magneta ovise o metodi recikliranja, kvaliteti otpada i naknadnim tretmanima. Ključni čimbenici uključuju:

3.1 Modifikacija granica zrna (GBM)

• Princip : Magnetska svojstva NdFeB magneta ovise o mikrostrukturi: Nd₂Fe₁₄B matrica osigurava visoku magnetizaciju, dok faza na granicama zrna (bogata Nd i REE) izolira zrna kako bi se smanjio gubitak koercitivnosti.
• Postupak : Dodavanje REE hidrida (npr. DyH₃ nanočestica) tijekom sinteriranja radi modificiranja granica zrna. Liu i suradnici su pokazali da dodavanje 1% DyH₃ prije sinteriranja vraća do 89% izvornog (BH)max (maksimalnog energetskog produkta).
• Rezultat : GBM poboljšava koercitivnost i remanenciju, čineći reciklirane magnete prikladnima za visokoučinkovite primjene poput vučnih motora.

3.2 Optimizacija tlaka i temperature

• Tlak : U HD i HDDR (dekrepitacija-disproporcionacija-desorpcija-rekombinacija vodika) procesima, povećanje tlaka iznad 1 bara ubrzava apsorpciju vodika, ali smanjuje magnetska svojstva. Optimalni tlak za održivu obradu je 50 kPa .
• Temperatura : Sinteriranje na 1000–1100 °C ključno je za zgušnjavanje. Odstupanja mogu dovesti do poroznosti ili rasta zrna, što pogoršava svojstva.

3.3 Studije slučaja: Performanse recikliranih magneta

• Elektromotori : Studija je usporedila dva identična motora - jedan koji koristi reciklirane NdFeB magnete (putem obrade magnet-magnet) i drugi koji koristi djevičanske magnete. Reciklirani magneti pokazali su 7,0% veću povezanost fluksa u otvorenom krugu i 6,4% veći okretni moment unatoč 15% nižem sadržaju disprozija .
• Industrijska primjena : Reciklirani magneti iz MRI skenera, pumpi i vjetroturbina pokazali su svojstva slična djevičanskim magnetima (npr. remanencija Br = 1,16–1,29 T, koercitivnost HcJ = 1.147–1.590 kA/m).

4. Izazovi i budući smjerovi

Unatoč napretku, recikliranje NdFeB magneta suočava se s izazovima:

• Varijabilnost kvalitete materijala : Stanje otpada (npr. korozija, premazi) utječe na učinkovitost recikliranja. Na primjer, ostaci ljepila od vezanih magneta zahtijevaju alkalno prženje za uklanjanje.
• Ekonomska isplativost : Metode dugog ciklusa su skupe zbog kemijskih i energetskih unosa. Metode kratkog ciklusa su jeftinije, ali ograničene na visokokvalitetni otpad.
• Skalabilnost : Većina industrijskih postrojenja (npr. HyProMag, REEcycle) su u pilot fazi. Primjena u velikim razmjerima zahtijeva političku podršku (npr. subvencije, proširenu odgovornost proizvođača).

Buduće inovacije :

• Obrada uz pomoć mikrovalova : Brzo, energetski učinkovito zagrijavanje za oksidaciju magneta ili pomoć pri izgaranju.
• Napredne tehnologije sortiranja : Senzori s umjetnom inteligencijom za odvajanje magneta od elektroničkog otpada prema sastavu i geometriji.
• Modeli kružnog gospodarstva : Integriranje recikliranja u dizajn proizvoda (npr. modularni uređaji za jednostavno uklanjanje magneta).

5. Zaključak

Učinkovito recikliranje otpadnih NdFeB magneta moguće je metodama kratke petlje poput dekrepitacije vodikom i obrade magnet-magnet, koje čuvaju magnetska svojstva uz smanjenje utjecaja na okoliš. Optimizacijom modifikacije granica zrna, tlaka i temperature, reciklirani magneti mogu dostići ili nadmašiti performanse djevičanskih materijala u primjenama poput električnih vozila i vjetroturbina. Međutim, povećanje recikliranja zahtijeva rješavanje varijabilnosti materijala, ekonomskih prepreka i tehnoloških nedostataka. Suradnički napori vlada, proizvođača i istraživača ključni su za prijelaz na kružno gospodarstvo za NdFeB magnete, osiguravajući održivi pristup kritičnim REE elementima za buduće tehnologije.