Hogyan lehet hatékonyan újrahasznosítani a selejtezett NdFeB mágneseket? Az újrahasznosítás utáni mágneses tulajdonságok közelíthetnek az eredeti anyagokéhoz?

2. NdFeB mágnesek újrahasznosítási technológiái

Az NdFeB mágnesek újrahasznosítási módszerei két kategóriába sorolhatók: hosszú hurkú (ritka földfémek kémiai kinyerése) és rövid hurkú (közvetlen újrafelhasználás vagy újragyártás). A választás a hulladék típusától (pl. gyártási hulladék vs. élettartamuk végére ért termékek), a költségektől és a környezeti hatásoktól függ.

2.1 Hosszú ciklusú újrahasznosítás: ritka földfémek kémiai kinyerése

A hosszú ciklusú újrahasznosítás során a mágneseket egyedi ritka földfémekre bontják, amelyeket aztán új mágnesekké vagy oxidokká dolgoznak fel. A főbb módszerek a következők:

• Hidrometallurgia:
  • Eljárás : A mágneseket savakban (pl. HCl, H₂SO₄) kell feloldani, majd oldószeres extrakcióval vagy szelektív kicsapással kell izolálni a ritkaföldfémeket. Például a Santoku Corporation a mágneseket <75 μm-es részecskékre őrli, ezeket NaOH-ban oxidálja magas hőmérsékleten, majd szelektíven kioldja a ritkaföldfémeket.
  • Előnyök : Nagy tisztaságú (99%+ ritkaföldfém-kinyerés), alkalmas összetett hulladék kezelésére.
  • Kihívások : Magas vegyszerfogyasztás, szennyvíztisztítási költségek és energiafelhasználás (pl. kioldáshoz szükséges fűtés).
• Pirometallurgia:
  • Eljárás : A mágneseket folyósítószerekkel (pl. CaO, MgO) hevítik, így ritkaföldfémeket tartalmazó salakot képeznek, amelyeket aztán fémekké redukálnak. Például a szulfátos pörkölés és a nitrifikációs pörkölés az oxidációs állapotok módosításával kiterjeszti a pirometallurgiai folyamatokat.
  • Előnyök : Nagy mennyiségekhez skálázható, minimális folyékony hulladék.
  • Kihívások : Nagy energiabevitel (1200–1600 °C), a porkibocsátásból eredő potenciális légszennyezés.
• Elektrokémiai módszerek:
  • Eljárás : Elektrolízissel kinyerhetők a ritkaföldfémek (REE-k) olvadt sókból vagy vizes oldatokból. Ez a módszer kevésbé elterjedt, de nagy pontosságot biztosít a ritkaföldfémek elválasztásában.
  • Előnyök : Alacsony kémiai hulladék, szelektív újrahasznosítás lehetősége.
  • Kihívások : A speciális berendezések magas tőkeköltségei.

2.2 Rövid ciklusú újrahasznosítás: Közvetlen újrafelhasználás vagy újragyártás

A rövid hurkú újrahasznosítás megkerüli a kémiai extrakciót, megőrzi a mágnes szerkezetét az újrafelhasználáshoz vagy új mágnesekké történő újrafeldolgozáshoz. A főbb módszerek a következők:

• Hidrogén dekrepitáció (HD):
  • Folyamat : A mágneseket hidrogéngáz hatásának teszik ki, aminek következtében a Nd₂Fe₁₄B fázisban a térfogat-tágulás miatt porrá törnek. A port ezután préseléssel és szinterezéssel új mágnesekké alakítják.
  • Előnyök : Energiatakarékos (88%-kal kevesebb energiát fogyaszt, mint az elsődleges termelés), megőrzi mágneses tulajdonságait.
  • Esettanulmány : A HyProMag szabadalmaztatott hidrogénezett mágneshulladék-feldolgozási (HPMS) technológiája NdFeB ötvözetport nyer ki a hulladékból, 99,8%-os ritkaföldfém-visszanyerési hatékonyságot elérve.
• Mágnesről mágnesre újrahasznosítás:
  • Folyamat : A hulladékmágnesek mágnesmentesítése, tisztítása (bevonatok és ragasztó eltávolítása), majd új geometriájú formázása. Például a Hitachi Metals a gyártási hulladék több mint 90%-át új mágnesekké hasznosítja újra.
  • Előnyök : Minimális anyagveszteség, alacsony gyártási hulladékköltség.
  • Kihívások : Az ép fizikai tulajdonságokkal rendelkező (pl. korrózió- vagy törésmentes) mágnesekre korlátozódik.
• Közvetlen olvasztás:
  • Eljárás : Hulladékmágnesek megolvasztása és új ötvözetekké öntése. Ez a módszer kevésbé elterjedt a szennyeződések beépülésének kockázata miatt.
  • Előnyök : Egyszerű homogén hulladékhoz.
  • Kihívások : Szigorú minőségellenőrzést igényel a minőségromlás elkerülése érdekében.

3. Mágneses tulajdonságok helyreállítása újrahasznosított mágnesekben

Az újrahasznosított NdFeB mágnesek mágneses tulajdonságai az újrahasznosítási módszertől, a hulladék minőségétől és az utófeldolgozási kezelésektől függenek. A legfontosabb tényezők a következők:

3.1 Szemcsehatár-módosítás (GBM)

• Alapelv : Az NdFeB mágnesek mágneses tulajdonságai a mikrostruktúrától függenek: az Nd₂Fe₁₄B mátrix nagyfokú mágnesezettséget biztosít, míg a szemcsehatár fázisa (Nd-ben és REE-kben gazdag) izolálja a szemcséket a koercitív veszteség csökkentése érdekében.
• Eljárás : A szinterelés során REE-hidrideket (pl. DyH₃ nanorészecskéket) adunk hozzá a szemcsehatárok módosításához. Liu és munkatársai kimutatták, hogy 1% DyH₃ hozzáadása a szinterelés előtt az eredeti (BH)max (maximális energiaszorzat) akár 89%-át is visszanyerheti.
• Eredmény : A GBM fokozza a koercitivitást és a remanenciát, így az újrahasznosított mágnesek alkalmasak nagy teljesítményű alkalmazásokhoz, például vontatómotorokhoz.

3.2 A nyomás és a hőmérséklet optimalizálása

• Nyomás : A HD és HDDR (hidrogéndekrepitáció-diszproporcionáció-deszorpció-rekombináció) eljárásokban az 1 bar fölé emelt nyomás felgyorsítja a hidrogén abszorpcióját, de csökkenti a mágneses tulajdonságokat. A fenntartható feldolgozáshoz optimális nyomás 50 kPa .
• Hőmérséklet : Az 1000–1100 °C-on történő szinterezés kritikus fontosságú a tömörödéshez. Az eltérések porozitáshoz vagy szemcsenövekedéshez vezethetnek, ami rontja a tulajdonságokat.

3.3 Esettanulmányok: Újrahasznosított mágnesek teljesítménye

• Villanymotorok : Egy tanulmány két azonos motort hasonlított össze – az egyik újrahasznosított NdFeB mágneseket (mágnes-mágnes feldolgozással), a másik pedig új mágneseket használt. Az újrahasznosított mágnesek 7,0%-kal nagyobb nyitott áramkörű fluxuskapcsolatot és 6,4%-kal nagyobb nyomatékot mutattak, annak ellenére, hogy 15%-kal alacsonyabb diszpróziumtartalommal rendelkeztek.
• Ipari alkalmazások : Az MRI-szkennerekből, szivattyúkból és szélturbinákból származó újrahasznosított mágnesek hasonló tulajdonságokat mutattak, mint a szűz mágnesek (pl. remanencia Br = 1,16–1,29 T, koercitív erő HcJ = 1147–1590 kA/m).

4. Kihívások és jövőbeli irányok

A fejlődés ellenére az NdFeB mágnesek újrahasznosítása kihívásokkal néz szembe:

• Anyagminőség-ingadozás : A hulladék állapota (pl. korrózió, bevonatok) befolyásolja az újrahasznosítás hatékonyságát. Például a ragasztott mágnesekből származó ragasztómaradványok eltávolításához lúgos pörkölésre van szükség.
• Gazdasági megvalósíthatóság : A hosszú hurkú módszerek költségesek a vegyi és energiafelhasználás miatt. A rövid hurkú módszerek olcsóbbak, de csak kiváló minőségű hulladék előállítására alkalmasak.
• Skálázhatóság : A legtöbb ipari üzem (pl. HyProMag, REEcycle) kísérleti üzem. A nagymértékű elterjedés politikai támogatást igényel (pl. támogatások, kiterjesztett gyártói felelősség).

Jövőbeli innovációk :

• Mikrohullámú sütővel támogatott feldolgozás : Gyors, energiatakarékos melegítés mágnesek oxidálására vagy az égés elősegítésére.
• Fejlett válogatástechnológiák : Mesterséges intelligencia által vezérelt érzékelők a mágnesek és az elektronikai hulladék szétválasztására összetétel és geometria alapján.
• Körforgásos gazdasági modellek : Az újrahasznosítás integrálása a terméktervezésbe (pl. moduláris eszközök a mágnesek egyszerű eltávolításához).

5. Következtetés

A selejtezett NdFeB mágnesek hatékony újrahasznosítása rövid hurkú módszerekkel, például hidrogénezéssel és mágnesről mágnesre történő feldolgozással érhető el, amelyek megőrzik a mágneses tulajdonságokat, miközben csökkentik a környezeti terhelést. A szemcsehatár-módosítás, a nyomás és a hőmérséklet optimalizálásával az újrahasznosított mágnesek teljesítménye elérheti vagy meghaladhatja a szűz anyagokét olyan alkalmazásokban, mint az elektromos járművek és a szélturbinák. Az újrahasznosítás fokozásához azonban kezelni kell az anyagok változékonyságát, a gazdasági akadályokat és a technológiai hiányosságokat. A kormányok, a gyártók és a kutatók közötti együttműködés elengedhetetlen az NdFeB mágnesek körforgásos gazdaságára való áttéréshez, biztosítva a jövő technológiái számára a kritikus ritkaföldfémekhez való fenntartható hozzáférést.