Hoe kunnen afgedankte NdFeB-magneten efficiënt worden gerecycled? Kunnen de magnetische eigenschappen na recycling die van de originele materialen benaderen?

2. Recyclingtechnologieën voor NdFeB-magneten

Recyclingmethoden voor NdFeB-magneten vallen in twee categorieën: lange lus (chemische extractie van zeldzame aardmetalen) en korte lus (direct hergebruik of remanufacturing). De keuze hangt af van het type schroot (bijv. productieafval versus afgedankte producten), de kosten en de impact op het milieu.

2.1 Lange-lusrecycling: chemische extractie van zeldzame aardmetalen

Bij recycling in een lange kringloop worden magneten afgebroken tot individuele zeldzame aardmetalen, die vervolgens worden herverwerkt tot nieuwe magneten of oxiden. Belangrijke methoden zijn onder meer:

• Hydrometallurgie:
  • Proces : Los magneten op in zuren (bijv. HCl, H₂SO₄) en gebruik vervolgens oplosmiddelextractie of selectieve precipitatie om zeldzame aardmetalen te isoleren. Santoku Corporation maalt bijvoorbeeld magneten tot deeltjes <75 μm, oxideert ze in NaOH bij verhoogde temperaturen en loogt de zeldzame aardmetalen selectief uit.
  • Voordelen : Hoge zuiverheid (99%+ REE-herstel), geschikt voor complex schroot.
  • Uitdagingen : hoog chemicaliënverbruik, kosten voor afvalwaterzuivering en energieverbruik (bijvoorbeeld verwarming voor uitloging).
• Pyrometallurgie:
  • Proces : Magneten verhitten met fluxen (bijv. CaO, MgO) om slak te vormen die zeldzame aardmetalen bevat, die vervolgens worden gereduceerd tot metalen. Zo breiden sulfaatroasting en nitrificatieroasting de pyrometallurgie uit door oxidatietoestanden te wijzigen.
  • Voordelen : schaalbaar voor grote volumes, minimale vloeistofverspilling.
  • Uitdagingen : Hoge energie-input (1.200–1.600°C), potentiële luchtvervuiling door stofuitstoot.
• Elektrochemische methoden:
  • Proces : Gebruik elektrolyse om zeldzame aardmetalen (REE's) uit gesmolten zouten of waterige oplossingen te extraheren. Deze methode is minder gebruikelijk, maar biedt precisie bij het scheiden van zeldzame aardmetalen.
  • Voordelen : Weinig chemisch afval, potentieel voor selectieve terugwinning.
  • Uitdagingen : Hoge kapitaalkosten voor gespecialiseerde apparatuur.

2.2 Korte-lusrecycling: direct hergebruik of herfabricage

Bij recycling in een korte kringloop wordt chemische extractie omzeild, waardoor de structuur van de magneet behouden blijft voor hergebruik of herverwerking tot nieuwe magneten. Belangrijke methoden zijn onder meer:

• Waterstofdecrepitatie (HD):
  • Proces : Magneten worden blootgesteld aan waterstofgas, waardoor ze door volume-expansie in de Nd₂Fe₁₄B-fase tot poeder breken. Het poeder wordt vervolgens geperst en gesinterd tot nieuwe magneten.
  • Voordelen : Energiezuinig (88% minder energie dan primaire productie), behoudt magnetische eigenschappen.
  • Casestudy : HyProMag's gepatenteerde HPMS-technologie (Hydrogen Processing of Magnet Scrap) wint NdFeB-legeringpoeder uit schroot en haalt een rendement van 99,8% REE.
• Magneet-naar-magneet recycling:
  • Proces : Demagnetiseren van afgedankte magneten, reinigen (verwijderen van coatings en lijm) en omvormen tot nieuwe geometrieën. Hitachi Metals recycleert bijvoorbeeld meer dan 90% van zijn productieafval tot nieuwe magneten.
  • Voordelen : minimaal materiaalverlies, lage kosten voor productieafval.
  • Uitdagingen : Beperkt tot magneten met intacte fysieke eigenschappen (bijv. geen corrosie of breuk).
• Direct smelten:
  • Proces : Smelt magneten en giet ze in nieuwe legeringen. Deze methode is minder gebruikelijk vanwege het risico op toevoeging van onzuiverheden.
  • Voordelen : Eenvoudig voor homogeen schroot.
  • Uitdagingen : Vereist strenge kwaliteitscontrole om degradatie te voorkomen.

3. Herstel van magnetische eigenschappen in gerecyclede magneten

De magnetische eigenschappen van gerecyclede NdFeB-magneten zijn afhankelijk van de recyclingmethode, de schrootkwaliteit en de nabewerking. Belangrijke factoren zijn onder meer:

3.1 Graangrensmodificatie (GBM)

• Principe : De magnetische eigenschappen van NdFeB-magneten zijn afhankelijk van de microstructuur: de Nd₂Fe₁₄B-matrix zorgt voor een hoge magnetisatie, terwijl de korrelgrensfase (rijk aan Nd en zeldzame aardmetalen) de korrels isoleert om coërciviteitsverlies te beperken.
• Proces : Voeg REE-hydriden (bijv. DyH₃-nanodeeltjes) toe tijdens het sinteren om de korrelgrenzen te wijzigen. Liu et al. hebben aangetoond dat het toevoegen van 1% DyH₃ vóór het sinteren tot 89% van de oorspronkelijke (BH)max (maximaal energieproduct) terugwint.
• Resultaat : GBM verbetert de coërciviteit en remanentie, waardoor gerecyclede magneten geschikt worden voor toepassingen met hoge prestaties, zoals tractiemotoren.

3.2 Optimaliseren van druk en temperatuur

• Druk : Bij HD- en HDRR-processen (Waterstofdecrepitatie-Disproportionatie-Desorptie-Recombinatie) versnelt een drukverhoging boven 1 bar de waterstofabsorptie, maar vermindert de magnetische eigenschappen. De optimale druk voor duurzame verwerking is 50 kPa .
• Temperatuur : Sinteren bij 1.000-1.100 °C is cruciaal voor verdichting. Afwijkingen kunnen leiden tot porositeit of korrelgroei, wat de eigenschappen aantast.

3.3 Casestudies: Prestaties van gerecyclede magneten

• Elektromotoren : Een studie vergeleek twee identieke motoren: de ene met gerecyclede NdFeB-magneten (via magneet-tot-magneetverwerking) en de andere met nieuwe magneten. De gerecyclede magneten vertoonden een 7,0% hogere open-circuit fluxverbinding en een 6,4% hoger koppel, ondanks een 15% lager dysprosiumgehalte .
• Industriële toepassingen : Gerecyclede magneten van MRI-scanners, pompen en windturbines vertoonden eigenschappen die vergelijkbaar waren met die van oorspronkelijke magneten (bijv. remanentie Br = 1,16–1,29 T, coërciviteit HcJ = 1.147–1.590 kA/m).

4. Uitdagingen en toekomstige richtingen

Ondanks de vooruitgang kent het recyclen van NdFeB-magneten nog steeds uitdagingen:

• Variatie in materiaalkwaliteit : De toestand van het schroot (bijv. corrosie, coatings) beïnvloedt de recyclingefficiëntie. Lijmresten van gebonden magneten moeten bijvoorbeeld alkalisch worden geroosterd om ze te verwijderen.
• Economische haalbaarheid : Lange-lusmethoden zijn duur vanwege de chemische en energie-input. Korte-lusmethoden zijn goedkoper, maar beperkt tot hoogwaardig schroot.
• Schaalbaarheid : De meeste industriële installaties (bijv. HyProMag, REEcycle) zijn op pilotschaal. Grootschalige implementatie vereist beleidsondersteuning (bijv. subsidies, uitgebreide producentenverantwoordelijkheid).

Toekomstige innovaties :

• Magnetronondersteunde verwerking : snelle, energiezuinige verwarming voor het oxideren van magneten of het ondersteunen van verbranding.
• Geavanceerde sorteertechnologieën : sensoren op basis van kunstmatige intelligentie (AI) scheiden magneten van elektronisch afval op basis van samenstelling en geometrie.
• Modellen voor de circulaire economie : recycling integreren in productontwerp (bijvoorbeeld modulaire apparaten voor eenvoudige verwijdering van magneten).

5. Conclusie

Efficiënte recycling van afgedankte NdFeB-magneten is mogelijk via korte-lusmethoden zoals waterstofdecrepitatie en magneet-tot-magneetverwerking. Deze methoden behouden de magnetische eigenschappen en verminderen de impact op het milieu. Door de korrelgrensmodificatie, druk en temperatuur te optimaliseren, kunnen gerecyclede magneten de prestaties van nieuwe materialen evenaren of overtreffen in toepassingen zoals elektrische voertuigen en windturbines. Opschaling van recycling vereist echter het aanpakken van materiaalvariabiliteit, economische barrières en technologische hiaten. Samenwerking tussen overheden, fabrikanten en onderzoekers is essentieel voor de transitie naar een circulaire economie voor NdFeB-magneten, waarmee duurzame toegang tot kritieke zeldzame aardmetalen voor toekomstige technologieën wordt gewaarborgd.