Cum pot fi reciclați eficient magneții NdFeB uzați? Pot fi proprietățile magnetice după reciclare apropiate de cele ale materialelor originale?

2. Tehnologii de reciclare pentru magneți NdFeB

Metodele de reciclare pentru magneții NdFeB se împart în două categorii: buclă lungă (extracția chimică a REE) și buclă scurtă (reutilizare directă sau remanufacturare). Alegerea depinde de tipul de deșeu (de exemplu, deșeuri de producție vs. produse scoase din uz), cost și impact asupra mediului.

2.1 Reciclare în buclă lungă: Extracția chimică a resurselor rare

Reciclarea în buclă lungă implică descompunerea magneților în REE individuale, care sunt apoi reprocesate în magneți sau oxizi noi. Metodele cheie includ:

• Hidrometalurgie:
  • Proces : Dizolvați magneții în acizi (de exemplu, HCl, H₂SO₄), apoi utilizați extracția cu solvent sau precipitarea selectivă pentru a izola REE. De exemplu, Santoku Corporation macină magneții în particule <75 μm, îi oxidează în NaOH la temperaturi ridicate și extrage REE selectiv.
  • Avantaje : Puritate ridicată (recuperare REE de peste 99%), potrivită pentru deșeuri complexe.
  • Provocări : Consum ridicat de substanțe chimice, costuri de tratare a apelor uzate și consum de energie (de exemplu, încălzire pentru levigare).
• Pirometalurgie:
  • Proces : Încălzirea magneților cu fluxuri (de exemplu, CaO, MgO) pentru a forma zgură care conține REE, care sunt apoi reduse la metale. De exemplu, prăjirea prin sulfat și prăjirea prin nitrificare extind pirometalurgia prin modificarea stărilor de oxidare.
  • Avantaje : Scalabil pentru volume mari, risipă minimă de lichide.
  • Provocări : Contribuție energetică ridicată (1.200–1.600°C), potențială poluare a aerului cauzată de emisiile de praf.
• Metode electrochimice:
  • Proces : Se utilizează electroliza pentru a extrage REE-uri din săruri topite sau soluții apoase. Această metodă este mai puțin obișnuită, dar oferă precizie în separarea REE-urilor.
  • Avantaje : Deșeuri chimice reduse, potențial de recuperare selectivă.
  • Provocări : Costuri de capital ridicate pentru echipamente specializate.

2.2 Reciclare în buclă scurtă: reutilizare directă sau remanufacturare

Reciclarea în buclă scurtă ocolește extracția chimică, păstrând structura magnetului pentru reutilizare sau reprocesare în magneți noi. Metodele cheie includ:

• Decrepitarea hidrogenului (HD):
  • Proces : Expunerea magneților la hidrogen gazos, provocând fracturarea acestora în pulbere din cauza expansiunii volumului în faza Nd₂Fe₁₄B. Pulberea este apoi presată și sinterizată în magneți noi.
  • Avantaje : Eficient energetic (cu 88% mai puțină energie decât în ​​producția primară), își păstrează proprietățile magnetice.
  • Studiu de caz : Tehnologia patentată de HyProMag, HPMS (Hydrogen Processing of Magnet Reserve), recuperează pulberea de aliaj NdFeB din resturi, atingând o eficiență de recuperare a materialelor rare de 99,8%.
• Reciclarea magnet-magnet:
  • Proces : Demagnetizarea magneților uzați, curățarea lor (îndepărtarea straturilor de acoperire, lipirea) și remodelarea lor în geometrii noi. De exemplu, Hitachi Metals reciclează peste 90% din deșeurile sale de producție în magneți noi.
  • Avantaje : Pierderi minime de material, cost redus pentru deșeurile de producție.
  • Provocări : Limitate la magneți cu proprietăți fizice intacte (de exemplu, fără coroziune sau rupere).
• Topire directă:
  • Proces : Topiți magneții din resturi și turnați-i în aliaje noi. Această metodă este mai puțin obișnuită din cauza riscului de încorporare a impurităților.
  • Avantaje : Simplu pentru resturi omogene.
  • Provocări : Necesită un control strict al calității pentru a evita degradarea.

3. Restaurarea proprietăților magnetice ale magneților reciclați

Proprietățile magnetice ale magneților NdFeB reciclați depind de metoda de reciclare, de calitatea deșeurilor și de tratamentele post-procesare. Factorii cheie includ:

3.1 Modificarea limitei granulelor (GBM)

• Principiu : Proprietățile magnetice ale magneților NdFeB depind de microstructură: matricea Nd₂Fe₁₄B oferă o magnetizare ridicată, în timp ce faza de la limita granulelor (bogată în Nd și REE) izolează granulele pentru a reduce pierderea de coercitivitate.
• Procedeu : Se adaugă hidruri de REE (de exemplu, nanoparticule de DyH₃) în timpul sinterizării pentru a modifica limitele granulelor. Liu și colab. au demonstrat că adăugarea a 1% DyH₃ înainte de sinterizare recuperează până la 89% din (BH)max inițial (produsul energetic maxim).
• Rezultat : GBM îmbunătățește coercivitatea și remanența, făcând magneții reciclați potriviți pentru aplicații de înaltă performanță, cum ar fi motoarele de tracțiune.

3.2 Optimizarea presiunii și temperaturii

• Presiune : În procesele HD și HDDR (Decrepitare-Disproporționare-Desorbție-Recombinare a Hidrogenului), creșterea presiunii peste 1 bar accelerează absorbția hidrogenului, dar reduce proprietățile magnetice. Presiunea optimă pentru o procesare durabilă este de 50 kPa .
• Temperatură : Sinterizarea la 1.000–1.100°C este esențială pentru densificare. Abaterile pot duce la porozitate sau la creșterea granulelor, degradând proprietățile.

3.3 Studii de caz: Performanța magneților reciclați

• Motoare electrice : Un studiu a comparat două motoare identice - unul folosind magneți NdFeB reciclați (prin procesare magnet-magnet) și celălalt folosind magneți virgini. Magneții reciclați au prezentat o legătură a fluxului în circuit deschis cu 7,0% mai mare și un cuplu cu 6,4% mai mare, în ciuda unui conținut de disprosiu cu 15% mai mic .
• Aplicații industriale : Magneții reciclați din scanere RMN, pompe și turbine eoliene au prezentat proprietăți similare cu magneții virgini (de exemplu, remanență Br = 1,16–1,29 T, coercitivitate HcJ = 1.147–1.590 kA/m).

4. Provocări și direcții viitoare

În ciuda progreselor, reciclarea magneților NdFeB se confruntă cu provocări:

• Variabilitatea calității materialelor : Starea deșeurilor (de exemplu, coroziune, acoperiri) afectează eficiența reciclării. De exemplu, reziduurile de adeziv de la magneții legați necesită prăjire alcalină pentru a fi îndepărtate.
• Viabilitate economică : Metodele cu buclă lungă sunt costisitoare din cauza consumului de substanțe chimice și energie. Metodele cu buclă scurtă sunt mai ieftine, dar se limitează la deșeuri de înaltă calitate.
• Scalabilitate : Majoritatea instalațiilor industriale (de exemplu, HyProMag, REEcycle) sunt la scară pilot. Adoptarea la scară largă necesită sprijin politic (de exemplu, subvenții, răspunderea extinsă a producătorului).

Inovații viitoare :

• Procesare asistată de microunde : Încălzire rapidă și eficientă din punct de vedere energetic pentru oxidarea magneților sau asistarea arderii.
• Tehnologii avansate de sortare : Senzori bazați pe inteligență artificială pentru a separa magneții de deșeurile electronice în funcție de compoziție și geometrie.
• Modele de economie circulară : Integrarea reciclării în designul produsului (de exemplu, dispozitive modulare pentru îndepărtarea ușoară a magneților).

5. Concluzie

Reciclarea eficientă a magneților NdFeB uzați este realizabilă prin metode cu buclă scurtă, cum ar fi decrepitarea hidrogenului și procesarea magnet-magnet, care păstrează proprietățile magnetice, reducând în același timp impactul asupra mediului. Prin optimizarea modificării limitei granulelor, a presiunii și a temperaturii, magneții reciclați pot egala sau depăși performanța materialelor virgine în aplicații precum vehiculele electrice și turbinele eoliene. Cu toate acestea, extinderea reciclării necesită abordarea variabilității materialelor, a barierelor economice și a decalajelor tehnologice. Eforturile de colaborare între guverne, producători și cercetători sunt esențiale pentru tranziția către o economie circulară pentru magneții NdFeB, asigurând accesul durabil la resurse rare critice pentru tehnologiile viitoare.