Come si possono riciclare in modo efficiente i magneti NdFeB di scarto? Le proprietà magnetiche dopo il riciclo possono essere simili a quelle dei materiali originali?

2. Tecnologie di riciclaggio per magneti NdFeB

I metodi di riciclo per i magneti NdFeB rientrano in due categorie: a ciclo lungo (estrazione chimica delle terre rare) e a ciclo corto (riutilizzo diretto o rigenerazione). La scelta dipende dal tipo di scarto (ad esempio, scarti di produzione o prodotti a fine vita), dal costo e dall'impatto ambientale.

2.1 Riciclo a ciclo lungo: estrazione chimica delle terre rare

Il riciclo a ciclo lungo prevede la scomposizione dei magneti in singole terre rare, che vengono poi riprocessate per ottenere nuovi magneti o ossidi. I metodi principali includono:

• Idrometallurgia:
  • Processo : sciogliere i magneti in acidi (ad esempio, HCl, H₂SO₄), quindi utilizzare l'estrazione con solvente o la precipitazione selettiva per isolare le terre rare. Ad esempio, Santoku Corporation macina i magneti in particelle <75 μm, le ossida in NaOH a temperature elevate e liscivia selettivamente le terre rare.
  • Vantaggi : elevata purezza (recupero REE superiore al 99%), adatto per rottami complessi.
  • Sfide : elevato consumo di sostanze chimiche, costi di trattamento delle acque reflue e utilizzo di energia (ad esempio, riscaldamento per la lisciviazione).
• Pirometallurgia:
  • Processo : magneti termici con flussi (ad esempio, CaO, MgO) per formare scorie contenenti terre rare, che vengono poi ridotte a metalli. Ad esempio, la torrefazione al solfato e la torrefazione per nitrificazione estendono la pirometallurgia modificando gli stati di ossidazione.
  • Vantaggi : scalabile per grandi volumi, spreco di liquidi minimo.
  • Sfide : elevato apporto energetico (1.200–1.600 °C), potenziale inquinamento atmosferico dovuto alle emissioni di polvere.
• Metodi elettrochimici:
  • Processo : utilizzare l'elettrolisi per estrarre le terre rare da sali fusi o soluzioni acquose. Questo metodo è meno comune, ma offre precisione nella separazione delle terre rare.
  • Vantaggi : bassi rifiuti chimici, potenziale di recupero selettivo.
  • Sfide : elevati costi di capitale per attrezzature specializzate.

2.2 Riciclo a ciclo breve: riutilizzo diretto o rigenerazione

Il riciclo a circuito corto bypassa l'estrazione chimica, preservando la struttura del magnete per il riutilizzo o la rielaborazione in nuovi magneti. I metodi principali includono:

• Decrepitazione dell'idrogeno (HD):
  • Processo : esporre i magneti all'idrogeno gassoso, provocandone la frattura in polvere a causa dell'espansione del volume nella fase Nd₂Fe₁₄B. La polvere viene quindi pressata e sinterizzata in nuovi magneti.
  • Vantaggi : Efficienza energetica (88% di energia in meno rispetto alla produzione primaria), mantiene le proprietà magnetiche.
  • Caso di studio : la tecnologia brevettata di lavorazione dell'idrogeno dei rottami magnetici (HPMS) di HyProMag recupera la polvere di lega NdFeB dai rottami, raggiungendo un'efficienza di recupero delle terre rare del 99,8%.
• Riciclo magnete-magnete:
  • Processo : smagnetizzare i magneti di scarto, pulirli (rimuovendo rivestimenti e colla) e rimodellarli in nuove geometrie. Ad esempio, Hitachi Metals ricicla oltre il 90% dei suoi scarti di produzione in nuovi magneti.
  • Vantaggi : minima perdita di materiale, basso costo degli scarti di produzione.
  • Sfide : limitato ai magneti con proprietà fisiche intatte (ad esempio, senza corrosione o rottura).
• Fusione diretta:
  • Processo : fondere i magneti di scarto e fonderli in nuove leghe. Questo metodo è meno comune a causa del rischio di incorporazione di impurità.
  • Vantaggi : Semplice per rottami omogenei.
  • Sfide : richiede un rigoroso controllo di qualità per evitare il degrado.

3. Ripristino delle proprietà magnetiche nei magneti riciclati

Le proprietà magnetiche dei magneti NdFeB riciclati dipendono dal metodo di riciclaggio, dalla qualità degli scarti e dai trattamenti post-lavorazione. I fattori chiave includono:

3.1 Modifica del confine del grano (GBM)

• Principio : le proprietà magnetiche dei magneti NdFeB dipendono dalla microstruttura: la matrice Nd₂Fe₁₄B fornisce un'elevata magnetizzazione, mentre la fase di confine dei grani (ricca di Nd e terre rare) isola i grani per ridurre la perdita di coercività.
• Processo : aggiungere idruri di REE (ad esempio, nanoparticelle di DyH₃) durante la sinterizzazione per modificare i bordi dei grani. Liu et al. hanno dimostrato che l'aggiunta dell'1% di DyH₃ prima della sinterizzazione recupera fino all'89% del (BH)max (prodotto energetico massimo) originale.
• Risultato : il GBM migliora la coercitività e la rimanenza, rendendo i magneti riciclati adatti ad applicazioni ad alte prestazioni come i motori di trazione.

3.2 Ottimizzazione della pressione e della temperatura

• Pressione : nei processi HD e HDDR (Hydrogen Decrepitation-Disproportionation-Desorption-Recombination), l'aumento della pressione oltre 1 bar accelera l'assorbimento dell'idrogeno ma riduce le proprietà magnetiche. La pressione ottimale per un processo sostenibile è di 50 kPa .
• Temperatura : la sinterizzazione a 1.000–1.100 °C è fondamentale per la densificazione. Deviazioni possono portare a porosità o crescita dei grani, con conseguente degradazione delle proprietà.

3.3 Casi di studio: prestazioni dei magneti riciclati

• Motori elettrici : uno studio ha confrontato due motori identici, uno con magneti NdFeB riciclati (tramite lavorazione magnete-magnete) e l'altro con magneti vergini. I magneti riciclati hanno mostrato un flusso concatenato a circuito aperto superiore del 7,0% e una coppia superiore del 6,4%, nonostante un contenuto di disprosio inferiore del 15% .
• Applicazioni industriali : i magneti riciclati provenienti da scanner MRI, pompe e turbine eoliche hanno mostrato proprietà simili ai magneti vergini (ad esempio, rimanenza Br = 1,16–1,29 T, coercività HcJ = 1.147–1.590 kA/m).

4. Sfide e direzioni future

Nonostante i progressi, il riciclaggio dei magneti NdFeB presenta delle sfide:

• Variabilità della qualità dei materiali : le condizioni dei rottami (ad esempio, corrosione, rivestimenti) influiscono sull'efficienza del riciclaggio. Ad esempio, i residui di colla dai magneti incollati richiedono la tostatura alcalina per essere rimossi.
• Fattibilità economica : i metodi a ciclo lungo sono costosi a causa degli input chimici ed energetici. I metodi a ciclo corto sono più economici, ma sono limitati a rottami di alta qualità.
• Scalabilità : la maggior parte degli impianti industriali (ad esempio HyProMag, REEcycle) sono su scala pilota. L'adozione su larga scala richiede il supporto politico (ad esempio, sussidi, responsabilità estesa del produttore).

Innovazioni future :

• Lavorazione assistita da microonde : riscaldamento rapido ed efficiente dal punto di vista energetico per ossidare i magneti o favorire la combustione.
• Tecnologie avanzate di smistamento : sensori basati sull'intelligenza artificiale per separare i magneti dai rifiuti elettronici in base alla composizione e alla geometria.
• Modelli di economia circolare : integrazione del riciclaggio nella progettazione del prodotto (ad esempio, dispositivi modulari per una facile rimozione dei magneti).

5. Conclusion

Un riciclaggio efficiente dei magneti NdFeB di scarto è possibile attraverso metodi a ciclo breve come la decrepitazione con idrogeno e la lavorazione magnete-magnete, che preservano le proprietà magnetiche riducendo al contempo l'impatto ambientale. Ottimizzando la modifica dei bordi dei grani, la pressione e la temperatura, i magneti riciclati possono eguagliare o superare le prestazioni dei materiali vergini in applicazioni come veicoli elettrici e turbine eoliche. Tuttavia, l'aumento del riciclaggio richiede di affrontare la variabilità dei materiali, le barriere economiche e le lacune tecnologiche. La collaborazione tra governi, produttori e ricercatori è essenziale per la transizione verso un'economia circolare per i magneti NdFeB, garantendo un accesso sostenibile alle terre rare (REE) essenziali per le tecnologie future.