Hur kan skrotade Ndfeb-magneter återvinnas effektivt? Kan de magnetiska egenskaperna efter återvinning vara nära de hos originalmaterialen?

2. Återvinningstekniker för NdFeB-magneter

Återvinningsmetoder för NdFeB-magneter delas in i två kategorier: långloop (kemisk extraktion av REE) och kortloop (direkt återanvändning eller återtillverkning). Valet beror på skrottyp (t.ex. produktionsavfall kontra uttjänta produkter), kostnad och miljöpåverkan.

2.1 Långloopsåtervinning: Kemisk extraktion av REE

Långloopsåtervinning innebär att magneter bryts ner till individuella REE-ämnen, som sedan bearbetas till nya magneter eller oxider. Viktiga metoder inkluderar:

• Hydrometallurgi:
  • Process : Lös upp magneter i syror (t.ex. HCl, H₂SO₄) och använd sedan lösningsmedelsextraktion eller selektiv utfällning för att isolera REE. Till exempel maler Santoku Corporation magneter till partiklar <75 μm, oxiderar dem i NaOH vid förhöjda temperaturer och lakar ut REE selektivt.
  • Fördelar : Hög renhet (99%+ REE-återvinning), lämplig för komplext skrot.
  • Utmaningar : Hög kemikalieförbrukning, kostnader för avloppsrening och energianvändning (t.ex. uppvärmning för urlakning).
• Pyrometallurgi:
  • Process : Värm magneter med flussmedel (t.ex. CaO, MgO) för att bilda slagg som innehåller REE, vilka sedan reduceras till metaller. Till exempel utökar sulfatröstning och nitrifikationsröstning pyrometallurgin genom att modifiera oxidationstillstånd.
  • Fördelar : Skalbar för stora volymer, minimalt vätskespill.
  • Utmaningar : Hög energitillförsel (1 200–1 600 °C), potentiell luftförorening från dammutsläpp.
• Elektrokemiska metoder:
  • Process : Använd elektrolys för att utvinna REE från smälta salter eller vattenlösningar. Denna metod är mindre vanlig men erbjuder precision vid separation av REE.
  • Fördelar : Lågt kemiskt avfall, potential för selektiv återvinning.
  • Utmaningar : Höga kapitalkostnader för specialutrustning.

2.2 Korttidsåtervinning: Direkt återanvändning eller omtillverkning

Korttidsåtervinning kringgår kemisk extraktion, vilket bevarar magnetens struktur för återanvändning eller upparbetning till nya magneter. Viktiga metoder inkluderar:

• Väteavfall (HD):
  • Process : Magneter exponeras för vätgas, vilket får dem att spricka till pulver på grund av volymutvidgning i Nd₂Fe₁₄B-fasen. Pulvret pressas sedan och sintras till nya magneter.
  • Fördelar : Energieffektiv (88 % mindre energi än primärproduktion), behåller magnetiska egenskaper.
  • Fallstudie : HyProMags patenterade teknik för vätgasbearbetning av magnetskrot (HPMS) återvinner NdFeB-legeringspulver från skrot och uppnår en återvinningseffektivitet på 99,8 % av REE.
• Magnet-till-magnet-återvinning:
  • Process : Avmagnetisera skrotmagneter, rengör dem (ta bort beläggningar, lim) och omforma dem till nya geometrier. Hitachi Metals återvinner till exempel över 90 % av sitt produktionsavfall till nya magneter.
  • Fördelar : Minimal materialförlust, låg kostnad för produktionsskrot.
  • Utmaningar : Begränsat till magneter med intakta fysikaliska egenskaper (t.ex. ingen korrosion eller brott).
• Direkt smältning:
  • Process : Smält skrotmagneter och gjut dem till nya legeringar. Denna metod är mindre vanlig på grund av risken för införlivande av föroreningar.
  • Fördelar : Enkel för homogent skrot.
  • Utmaningar : Kräver strikt kvalitetskontroll för att undvika nedbrytning.

3. Återställa magnetiska egenskaper i återvunna magneter

De magnetiska egenskaperna hos återvunna NdFeB-magneter beror på återvinningsmetoden, skrotkvaliteten och efterbehandlingen. Viktiga faktorer inkluderar:

3.1 Modifiering av korngränser (GBM)

• Princip : De magnetiska egenskaperna hos NdFeB-magneter beror på mikrostrukturen: Nd₂Fe₁₄B-matrisen ger hög magnetisering, medan korngränsfasen (rik på Nd och REE) isolerar korn för att minska koercitivitetsförlust.
• Process : Tillsätt REE-hydrider (t.ex. DyH₃-nanopartiklar) under sintring för att modifiera korngränser. Liu et al. visade att tillsats av 1 % DyH₃ före sintring återställer upp till 89 % av det ursprungliga (BH)maximum (maximal energiprodukt).
• Resultat : GBM förbättrar koercitivitet och remanens, vilket gör återvunna magneter lämpliga för högpresterande applikationer som dragmotorer.

3.2 Optimera tryck och temperatur

• Tryck : I HD- och HDDR-processer (Hydrogen Decrepitation-Disproportionation-Desorption-Recombination) accelererar en ökning av trycket över 1 bar väteabsorptionen men minskar de magnetiska egenskaperna. Det optimala trycket för hållbar bearbetning är 50 kPa .
• Temperatur : Sintring vid 1 000–1 100 °C är avgörande för förtätning. Avvikelser kan leda till porositet eller korntillväxt, vilket försämrar egenskaperna.

3.3 Fallstudier: Prestanda hos återvunna magneter

• Elmotorer : En studie jämförde två identiska motorer – en med återvunna NdFeB-magneter (via magnet-till-magnet-bearbetning) och den andra med jungfrumagneter. De återvunna magneterna uppvisade 7,0 % högre flödeskoppling vid öppen krets och 6,4 % högre vridmoment trots 15 % lägre dysprosiumhalt .
• Industriella tillämpningar : Återvunna magneter från MR-skannrar, pumpar och vindturbiner uppvisade egenskaper som liknar jungfrumagneter (t.ex. remanens Br = 1,16–1,29 T, koercitivitet HcJ = 1 147–1 590 kA/m).

4. Utmaningar och framtida riktningar

Trots framsteg står återvinning av NdFeB-magneter inför utmaningar:

• Variationer i materialkvalitet : Skrotets tillstånd (t.ex. korrosion, beläggningar) påverkar återvinningseffektiviteten. Till exempel kräver limrester från bundna magneter alkalisk rostning för att kunna avlägsnas.
• Ekonomisk lönsamhet : Långa loopmetoder är kostsamma på grund av kemikalie- och energiåtgångar. Korta loopmetoder är billigare men begränsade till högkvalitativt skrot.
• Skalbarhet : De flesta industrianläggningar (t.ex. HyProMag, REEcycle) är i pilotskala. Storskaligt införande kräver policystöd (t.ex. subventioner, utökat producentansvar).

Framtida innovationer :

• Mikrovågsassisterad bearbetning : Snabb, energieffektiv uppvärmning för oxidation av magneter eller förbränning.
• Avancerade sorteringstekniker : AI-drivna sensorer för att separera magneter från e-avfall efter sammansättning och geometri.
• Cirkulära ekonomiska modeller : Integrering av återvinning i produktdesign (t.ex. modulära enheter för enkel magnetborttagning).

5. Slutsats

Effektiv återvinning av skrotade NdFeB-magneter kan uppnås genom kortloopmetoder som vätedekrepitation och magnet-till-magnet-bearbetning, vilka bevarar magnetiska egenskaper samtidigt som miljöpåverkan minskas. Genom att optimera modifiering av korngränser, tryck och temperatur kan återvunna magneter matcha eller överträffa prestandan hos jungfruliga material i applikationer som elfordon och vindkraftverk. Att skala upp återvinningen kräver dock att man tar itu med materialvariationer, ekonomiska hinder och tekniska luckor. Samarbete mellan regeringar, tillverkare och forskare är avgörande för övergången till en cirkulär ekonomi för NdFeB-magneter, vilket säkerställer hållbar tillgång till kritiska, begränsade ämnen (REE) för framtida tekniker.