Riciclaggio avanzato dei magneti delle terre rare

Le terre rare, pietra miliare della tecnologia moderna, sono indispensabili per l'energia verde, i veicoli elettrici, l'energia eolica e l'elettronica di alto livello, in particolare per i magneti al neodimio. Tuttavia, il costo ambientale dell'estrazione delle terre rare è elevato e i rischi geopolitici derivanti da una catena di approvvigionamento altamente concentrata sono sempre più evidenti. Il riutilizzo dei magneti di terre rare non solo riduce notevolmente i costi di produzione, ma attenua anche i danni ambientali, aumenta la resilienza della catena di approvvigionamento e prolunga il ciclo di vita delle risorse. Grazie a nuove tecnologie come il processo HPMS di HyProMag, il riciclo delle terre rare si sta trasformando in una strada primaria per il raggiungimento di un approvvigionamento verde e di vantaggi economici. I magneti permanenti, tra cui magnete al neodimio, samario-cobalto, e magnete alnico, contengono elementi critici delle terre rare.

La strategia di riciclaggio degli elementi delle terre rare

Le terre rare sono un gruppo di elementi chimici, tra cui lantanidi, scandio e ittrio, con il praseodimio e il neodimio particolarmente importanti nelle applicazioni industriali. Le concentrazioni nei minerali naturali sono in genere inferiori a 5%. Ciò rende i magneti dismessi una "miniera urbana" di alto valore. Il riciclaggio è il processo attraverso il quale questi materiali di terre rare possono essere reintrodotti nel ciclo produttivo, creando così un sistema economico a ciclo chiuso. D'altra parte, il processo di produzione dei magneti al neodimio è estremamente complesso e prevede l'estrazione e la raffinazione degli elementi delle terre rare. Il processo di produzione comprende l'estrazione del minerale, la separazione chimica, la preparazione delle leghe e la formatura dei magneti, che sono ad alta intensità energetica e richiedono grandi quantità di reagenti chimici, che portano facilmente a danni ecologici e all'inquinamento delle risorse. Inoltre, la catena di approvvigionamento delle terre rare in tutto il mondo è principalmente in Cina (il Paese rappresenta più di 80% della produzione). Pertanto, è suscettibile ai cambiamenti del contesto geopolitico e alle restrizioni commerciali che potrebbero portare a interruzioni della fornitura e a fluttuazioni dei prezzi.

Il riciclaggio dei magneti di terre rare è uno dei modi più praticabili per risolvere i problemi di cui sopra. Il riciclaggio, che consiste nell'estrarre i magneti NdFeB dai dispositivi elettronici dismessi, dai veicoli a fine vita e dalle apparecchiature industriali, riduce la dipendenza da nuove estrazioni, riduce i costi di produzione e migliora l'efficienza delle risorse.

Le sfide del riciclo dei magneti delle terre rare

Il riciclaggio dei magneti di terre rare è diventato il fondamento del settore dell'energia pulita, che offre una notevole capacità di rendere più verde l'ambiente, di diminuire il rischio di interruzione dei materiali di input e di aumentare la durata dei materiali di terre rare. Sebbene il riciclaggio dei magneti al neodimio abbia un grande potenziale economico ed ecologico, l'implementazione effettiva è ancora piena di difficoltà.

1. Bassi tassi di riciclaggio

Solo 1-2TP9T di magneti NdFeB vengono riciclati a livello globale, rispetto a 50% per l'alluminio o 40% per il rame. Perché questo divario? Molte persone non sanno che questi magneti possono essere riciclati e spesso mancano le infrastrutture. Il Programma Ambientale delle Nazioni Unite stima che ogni anno 50 milioni di tonnellate di rifiuti elettronici contengono fino a 100.000 tonnellate di magneti NdFeB riciclabili, ma meno di 1% vengono recuperati.

2. Sfide tecniche nella separazione

Sebbene i magneti NdFeB contengano concentrazioni di terre rare più elevate rispetto ai minerali naturali, nei prodotti di scarto sono spesso mescolati a materiali come plastica, rame e acciaio, diluendo il contenuto di terre rare. Ad esempio, i magneti NdFeB nei dischi rigidi scartati rappresentano solo 1-2% del peso totale. L'estrazione di queste basse concentrazioni richiede tecnologie di selezione avanzate, ma i metodi di separazione fisica convenzionali sono inefficienti e faticano a raggiungere un recupero di elevata purezza. I processi idrometallurgici possono estrarre le terre rare, ma si basano su acidi forti e grandi volumi di acqua, generando acque reflue altamente inquinanti.

I magneti NdFeB sono tipicamente rivestiti di nichel, zinco o resina epossidica per prevenire la corrosione e questi rivestimenti sono difficili da rimuovere durante il riciclaggio. Inoltre, molti magneti sono fissati nei prodotti con adesivi complessi, il che complica ulteriormente la separazione a causa delle loro proprietà chimiche.

3. Ostacoli economici al riciclo

Rispetto all'estrazione di terre rare primarie, il riciclaggio dei magneti NdFeB comporta elevati costi iniziali di investimento e operativi. Secondo le stime, il riciclaggio di una tonnellata di magneti NdFeB costa circa $50-70 al chilogrammo, mentre il prezzo di mercato delle terre rare primarie varia da $30-50 al chilogrammo. La riduzione dei costi richiederà progressi tecnologici e l'espansione del mercato. Per rendere il riciclaggio più accessibile, i governi potrebbero offrire sussidi o crediti di carbonio, incoraggiando le aziende a costruire più impianti di riciclaggio.

4. Accettazione del mercato e problemi di qualità

L'accettazione sul mercato dei magneti NdFeB riciclati dipende dalla loro qualità e dalle loro prestazioni. Alcuni materiali riciclati hanno prestazioni inferiori a quelle dei materiali primari a causa di impurità o limitazioni del processo. Per essere utilizzati in applicazioni ad alta tecnologia come i motori delle auto elettriche, i magneti riciclati devono avere la stessa qualità di quelli nuovi.

Tecnologie di riciclaggio dei magneti delle terre rare

I metodi di riciclaggio tradizionali, come il riutilizzo diretto, l'idrometallurgia e la pirometallurgia, hanno gettato le basi, ma il loro elevato consumo energetico e l'inquinamento ambientale ne limitano l'adozione diffusa. Negli ultimi anni, tecnologie emergenti come la biolisciviazione, l'estrazione di liquidi ionici e la lavorazione dell'idrogeno stanno ridisegnando il panorama del riciclo delle terre rare, promuovendo lo sviluppo dell'industria con una maggiore efficienza e una minore impronta di carbonio.

1. Riutilizzo diretto e metallurgia delle polveri

Il riutilizzo diretto prevede lo smontaggio dei magneti NdFeB di scarto dai prodotti dismessi e la loro rielaborazione in nuovi magneti. Questa operazione è comune per i magneti con forme e proprietà ancora conformi ai requisiti. Dopo lo smontaggio, i magneti vengono puliti, decorati e testati per verificarne le prestazioni; se soddisfano gli standard, possono essere utilizzati direttamente in applicazioni a bassa domanda. La metallurgia delle polveri macina ulteriormente i magneti in polvere, che viene poi sinterizzata in nuovi magneti. Questo metodo evita i complessi processi chimici e ha costi inferiori, ma ha un'applicabilità limitata.

2. Idrometallurgia: Lisciviazione acida ed estrazione con solventi

L'idrometallurgia estrae gli elementi delle terre rare dai magneti NdFeB mediante dissoluzione e separazione chimica. I magneti di scarto vengono prima dissolti in sali metallici liquidi utilizzando acidi, seguiti da un'estrazione con solvente per separare elementi come il neodimio e il disprosio. Questo metodo raggiunge tassi di recupero elevati (fino a 95%) e può gestire rifiuti complessi. Tuttavia, presenta notevoli svantaggi: l'uso di grandi quantità di acidi forti e solventi organici genera acque reflue altamente inquinanti, producendo 10-15 tonnellate di acque reflue per ogni tonnellata di terre rare recuperate.

3. Pirometallurgia: Trattamento ad alta temperatura e arco al plasma

La pirometallurgia decompone i magneti NdFeB in ossidi o leghe metalliche attraverso una fusione ad alta temperatura (tipicamente >1000°C), seguita da elettrolisi o riduzione chimica per estrarre gli elementi delle terre rare. La tecnologia ad arco di plasma migliora l'efficienza utilizzando un plasma ad alta temperatura (>6000°C) per decomporre rapidamente i magneti, adatto al trattamento di rifiuti complessi con rivestimenti o adesivi. Tuttavia, la pirometallurgia è estremamente dispendiosa dal punto di vista energetico, con emissioni di carbonio circa 1,5 volte superiori rispetto all'idrometallurgia, e le alte temperature possono causare la volatilizzazione delle terre rare, con conseguenti tassi di recupero di soli 70-85%.

4. Biolisciviazione: estrazione microbica

La biolisciviazione utilizza microrganismi acidofili per estrarre gli elementi delle terre rare dai rifiuti magnetici. I microrganismi producono acidi organici attraverso il metabolismo, dissolvendo le terre rare in composti separabili. Questo metodo è rispettoso dell'ambiente, con un inquinamento delle acque reflue di gran lunga inferiore a quello dell'idrometallurgia e un consumo energetico pari a circa un terzo dei metodi tradizionali.

5. Estrazione con liquidi ionici

I liquidi ionici (IL) sono solventi verdi a bassa volatilità e riciclabili, utilizzati per sostituire i solventi organici nell'idrometallurgia tradizionale. Dissolvono selettivamente gli elementi delle terre rare per una separazione di elevata purezza. Ad esempio, i liquidi ionici a base di imidazolio raggiungono efficienze di estrazione fino a 98% per il neodimio e il disprosio, con una produzione di acque reflue inferiore di 70%.

6. Trattamento a idrogeno dei rottami magnetici (HPMS)

La tecnologia Hydrogen Processing of Magnet Scrap (HPMS) di HyProMag utilizza l'idrogeno a pressione ambiente per decomporre i magneti NdFeB in polvere NdFeB di elevata purezza. Questo processo non richiede temperature elevate o acidi forti, con emissioni di carbonio inferiori di 70% rispetto all'idrometallurgia e tassi di recupero superiori a 90%. La polvere ottenuta può essere utilizzata direttamente per sinterizzare nuovi magneti, con prestazioni che differiscono da quelle dei magneti vergini di meno di 5%.

7. CO2 supercritica e metodi elettrochimici

L'anidride carbonica supercritica (SC-CO2) sfrutta la sua elevata permeabilità e solubilità, combinata con leganti organici, per estrarre gli elementi delle terre rare. Operando ad alta pressione e a temperatura moderata, questo metodo genera acque reflue minime e raggiunge tassi di recupero di 85-90%. I metodi elettrochimici depositano selettivamente gli elementi delle terre rare in soluzione tramite elettrolisi, evitando acque reflue acide.

8. Metodo del sale di rame

Il metodo dei sali di rame prevede la reazione dei magneti NdFeB con una soluzione di sali di rame per dissolvere preferenzialmente gli elementi delle terre rare, formando composti separabili. Questo metodo offre alti tassi di recupero (>95%) e un'impronta di carbonio inferiore di 50% rispetto all'idrometallurgia. Una ricerca dell'Università di Tohoku in Giappone dimostra che questo metodo tratta efficacemente i magneti rivestiti con acque reflue facilmente neutralizzabili. Tuttavia, richiede una precisa preselezione dei rifiuti e il riciclaggio dei sali di rame deve essere ulteriormente ottimizzato per ridurre i costi.

Sintesi: il valore a lungo termine del riciclaggio delle terre rare

L'estrazione delle terre rare è come l'utilizzo di escavatori giganti per rimuovere la "pelle" della Terra, lasciando "cicatrici" di inquinamento delle acque, degrado del suolo e massicce emissioni di carbonio. Le aree di estrazione delle terre rare generano ogni anno milioni di tonnellate di sterili tossici che contaminano fiumi e terreni agricoli. Riciclando una tonnellata di magneti si possono ridurre circa 12 tonnellate di estrazione del minerale e 15 tonnellate di emissioni di acque reflue. Questa tecnologia riduce al minimo i danni alla Terra.

Il progetto REE silience dell'UE stima che entro il 2030 il riciclo potrebbe soddisfare 15-20% della domanda europea di terre rare, mentre il progetto statunitense ReCycle mira a raggiungere l'autosufficienza di 10% di neodimio entro il 2027. I magneti riciclati costano 20-30% in meno rispetto a quelli estratti, rendendo il riciclo delle terre rare un pilastro fondamentale dell'economia circolare e una soluzione a lungo termine per la sostenibilità. La legge sulle materie prime critiche dell'UE prevede che entro il 2030 la domanda di terre rare sia soddisfatta dal riciclo per 15% e il piano di sviluppo dell'economia circolare della Cina sta promuovendo l'industrializzazione del riciclo delle terre rare. La crescente consapevolezza dei consumatori sta creando una domanda di mercato per il riciclo e, a lungo termine, il riciclo delle terre rare non solo sostiene gli obiettivi di emissioni nette a zero, ma promuove anche una crescita economica sostenibile attraverso un uso efficiente delle risorse.

Ethan Huang

Mi dedico alla scrittura scientifica divulgativa sui magneti. I miei articoli si concentrano principalmente sui principi, le applicazioni e gli aneddoti del settore. Il nostro obiettivo è fornire ai lettori informazioni preziose, aiutando tutti a comprendere meglio il fascino e il significato dei magneti. Allo stesso tempo, siamo desiderosi di ascoltare le vostre opinioni sulle esigenze legate ai magneti. Sentitevi liberi di seguirci e di impegnarvi con noi per esplorare insieme le infinite possibilità dei magneti!

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