Ako je možné efektívne recyklovať vyradené NdFeB magnety? Môžu byť magnetické vlastnosti po recyklácii blízke vlastnostiam pôvodných materiálov?

2. Technológie recyklácie magnetov NdFeB

Metódy recyklácie magnetov NdFeB spadajú do dvoch kategórií: dlhodobá recyklácia (chemická extrakcia vzácnych živíc) a krátkodobá recyklácia (priame opätovné použitie alebo repasácia). Výber závisí od typu šrotu (napr. výrobný odpad vs. produkty na konci životnosti), nákladov a vplyvu na životné prostredie.

2.1 Recyklácia v dlhom cyklu: Chemická extrakcia vzácnych zdrojov vzácnych krajín

Dlhodobá recyklácia zahŕňa rozloženie magnetov na jednotlivé prvky vzácnych živíc (REE), ktoré sa potom spracujú na nové magnety alebo oxidy. Medzi kľúčové metódy patria:

• Hydrometalurgia:
  • Postup : Magnety sa rozpustia v kyselinách (napr. HCl, H₂SO₄) a potom sa na izoláciu prvkov vzácnych krajín (REE) použije extrakcia rozpúšťadlom alebo selektívne zrážanie. Napríklad spoločnosť Santoku Corporation rozomelie magnety na častice <75 μm, oxiduje ich v NaOH pri zvýšených teplotách a selektívne vylúhuje prvky vzácnych krajín.
  • Výhody : Vysoká čistota (výťažnosť viac ako 99 % REE), vhodné pre komplexný šrot.
  • Výzvy : Vysoká spotreba chemikálií, náklady na čistenie odpadových vôd a spotreba energie (napr. ohrev na vylúhovanie).
• Pyrometalurgia:
  • Proces : Zahrievanie magnetov s tavidlami (napr. CaO, MgO) za vzniku trosky obsahujúcej vzácne zeminy (REE), ktoré sa potom redukujú na kovy. Napríklad sulfátové praženie a nitrifikačné praženie rozširujú pyrometalurgiu modifikáciou oxidačných stavov.
  • Výhody : Škálovateľné pre veľké objemy, minimálny plytvanie tekutinami.
  • Výzvy : Vysoký energetický vstup (1 200 – 1 600 °C), potenciálne znečistenie ovzdušia emisiami prachu.
• Elektrochemické metódy:
  • Postup : Na extrakciu REE z roztavených solí alebo vodných roztokov sa používa elektrolýza. Táto metóda je menej bežná, ale ponúka presné oddelenie REE.
  • Výhody : Nízky chemický odpad, možnosť selektívneho zhodnocovania.
  • Výzvy : Vysoké kapitálové náklady na špecializované vybavenie.

2.2 Recyklácia v krátkom cyklu: Priame opätovné použitie alebo repasácia

Recyklácia v krátkej slučke obchádza chemickú extrakciu, čím sa zachováva štruktúra magnetu pre opätovné použitie alebo prepracovanie na nové magnety. Medzi kľúčové metódy patria:

• Dekrepitácia vodíka (HD):
  • Proces : Vystavenie magnetov plynnému vodíku, čo spôsobí ich rozpad na prášok v dôsledku objemovej expanzie vo fáze Nd₂Fe₁₄B. Prášok sa potom lisuje a speká do nových magnetov.
  • Výhody : Energeticky úsporný (o 88 % menej energie ako pri primárnej výrobe), zachováva si magnetické vlastnosti.
  • Prípadová štúdia : Patentovaná technológia vodíkového spracovania magnetického šrotu (HPMS) spoločnosti HyProMag umožňuje získať prášok zliatiny NdFeB zo šrotu s účinnosťou získavania 99,8 % prvkov vzácnych krajín.
• Recyklácia magnetov:
  • Proces : Demagnetizácia magnetického odpadu, jeho čistenie (odstránenie povlakov, lepidla) a jeho pretváranie do nových geometrií. Napríklad spoločnosť Hitachi Metals recykluje viac ako 90 % svojho výrobného odpadu na nové magnety.
  • Výhody : Minimálna strata materiálu, nízke náklady na výrobný odpad.
  • Výzvy : Obmedzené na magnety s neporušenými fyzikálnymi vlastnosťami (napr. žiadna korózia alebo zlomenie).
• Priame tavenie:
  • Postup : Roztavenie šrotu magnetov a ich odlievanie do nových zliatin. Táto metóda je menej bežná kvôli riziku zabudovania nečistôt.
  • Výhody : Jednoduché pre homogénny šrot.
  • Výzvy : Vyžaduje si prísnu kontrolu kvality, aby sa predišlo degradácii.

3. Obnovenie magnetických vlastností recyklovaných magnetov

Magnetické vlastnosti recyklovaných magnetov NdFeB závisia od metódy recyklácie, kvality šrotu a následných úprav. Medzi kľúčové faktory patria:

3.1 Modifikácia hraníc zŕn (GBM)

• Princíp : Magnetické vlastnosti magnetov NdFeB závisia od mikroštruktúry: matrica Nd₂Fe₁₄B poskytuje vysokú magnetizáciu, zatiaľ čo fáza na hraniciach zŕn (bohatá na Nd a REE) izoluje zrná, aby sa znížila strata koercivity.
• Proces : Počas spekania sa pridávajú hydridy REE (napr. nanočastice DyH₃) na úpravu hraníc zŕn. Liu a kol. preukázali, že pridanie 1 % DyH₃ pred spekaním umožňuje získať až 89 % pôvodného (BH)max (maximálny energetický produkt).
• Výsledok : GBM zvyšuje koercitivitu a remanenciu, vďaka čomu sú recyklované magnety vhodné pre vysokovýkonné aplikácie, ako sú trakčné motory.

3.2 Optimalizácia tlaku a teploty

• Tlak : V procesoch HD a HDDR (dekrepitácia-disproporcionácia-desorpcia-rekombinácia vodíka) zvýšenie tlaku nad 1 bar urýchľuje absorpciu vodíka, ale znižuje magnetické vlastnosti. Optimálny tlak pre udržateľné spracovanie je 50 kPa .
• Teplota : Spekanie pri 1 000 – 1 100 °C je rozhodujúce pre zhutňovanie. Odchýlky môžu viesť k pórovitosti alebo rastu zŕn, čo zhoršuje vlastnosti.

3.3 Prípadové štúdie: Výkon recyklovaných magnetov

• Elektromotory : Štúdia porovnávala dva identické motory – jeden s použitím recyklovaných magnetov NdFeB (prostredníctvom spracovania magnet-magnet) a druhý s použitím panenských magnetov. Recyklované magnety vykazovali o 7,0 % vyššiu mieru prepojenia magnetického toku v otvorenom obvode a o 6,4 % vyšší krútiaci moment, a to aj napriek tomu, že mali o 15 % nižší obsah dysprózia .
• Priemyselné aplikácie : Recyklované magnety zo skenerov magnetickej rezonancie, čerpadiel a veterných turbín vykazovali vlastnosti podobné panenským magnetom (napr. remanencia Br = 1,16 – 1,29 T, koercivita HcJ = 1 147 – 1 590 kA/m).

4. Výzvy a budúce smery

Napriek pokroku čelí recyklácia magnetov NdFeB výzvam:

• Variabilita kvality materiálu : Stav šrotu (napr. korózia, nátery) ovplyvňuje účinnosť recyklácie. Napríklad zvyšky lepidla z lepených magnetov vyžadujú na odstránenie alkalické praženie.
• Ekonomická životaschopnosť : Metódy s dlhým cyklom sú nákladné kvôli chemickým a energetickým vstupom. Metódy s krátkym cyklom sú lacnejšie, ale obmedzené na vysokokvalitný šrot.
• Škálovateľnosť : Väčšina priemyselných závodov (napr. HyProMag, REEcycle) je v pilotnom meradle. Zavedenie vo veľkom meradle si vyžaduje politickú podporu (napr. dotácie, rozšírenú zodpovednosť výrobcu).

Budúce inovácie :

• Mikrovlnné spracovanie : Rýchle a energeticky úsporné zahrievanie na oxidáciu magnetov alebo na podporu spaľovania.
• Pokročilé technológie triedenia : Senzory s umelou inteligenciou na oddeľovanie magnetov od elektronického odpadu podľa zloženia a geometrie.
• Modely obehového hospodárstva : Integrácia recyklácie do dizajnu produktov (napr. modulárne zariadenia pre jednoduché odstránenie magnetov).

5. Záver

Efektívna recyklácia vyradených NdFeB magnetov je dosiahnuteľná metódami s krátkou slučkou, ako je dekrepitácia vodíkom a spracovanie magnet-magnet, ktoré zachovávajú magnetické vlastnosti a zároveň znižujú vplyv na životné prostredie. Optimalizáciou modifikácie hraníc zŕn, tlaku a teploty môžu recyklované magnety dosiahnuť výkonnosť rovnakých alebo vyšších materiálov ako pôvodné materiály v aplikáciách, ako sú elektrické vozidlá a veterné turbíny. Zvýšenie recyklácie si však vyžaduje riešenie variability materiálov, ekonomických bariér a technologických medzier. Spolupráca medzi vládami, výrobcami a výskumníkmi je nevyhnutná pre prechod na obehové hospodárstvo pre NdFeB magnety, čím sa zabezpečí udržateľný prístup ku kritickým vzácnym zložkám planéty (REE) pre budúce technológie.