Передовая переработка редкоземельных магнитов
Редкоземельные элементы, являющиеся краеугольным камнем современных технологий, незаменимы в "зеленой" энергетике, электромобилях, ветроэнергетике и высокотехнологичной электронике, в частности в неодимовых магнитах, лежащих в их основе. Однако добыча редкоземельных элементов сопряжена с большими экологическими издержками, а геополитические риски, связанные с высокой концентрацией цепочки поставок, становятся все более очевидными. Повторное использование редкоземельных магнитов не только значительно снижает затраты на производство, но и уменьшает ущерб окружающей среде, повышает устойчивость цепочки поставок и продлевает жизненный цикл ресурсов. Благодаря таким новым технологиям, как процесс HPMS компании HyProMag, повторное использование редкоземельных магнитов превращается в основной путь к достижению экологичности поставок и экономической выгоды. Постоянные магниты, включая неодимовый магнит, самарий-кобальт, и альниковый магнит, содержат критические редкоземельные элементы.
Стратегия переработки редкоземельных элементов
Редкоземельные элементы - это группа химических элементов, включающая лантаниды, скандий и иттрий, причем празеодим и неодим особенно важны для промышленного применения. Концентрация в природных рудах обычно ниже 5%. Это делает выброшенные магниты высокоценной "городской шахтой". Переработка - это процесс, с помощью которого эти редкоземельные материалы могут быть вновь включены в производственный цикл, создавая таким образом замкнутую экономическую систему. С другой стороны, процесс производства неодимовых магнитов чрезвычайно сложен и включает в себя добычу и переработку редкоземельных элементов. Производственный процесс включает в себя добычу руды, химическое разделение, подготовку сплавов и формирование магнитов, которые являются энергоемкими и требуют большого количества химических реагентов, что легко приводит к нарушению экологии и загрязнению ресурсов. Кроме того, цепочка поставок редкоземельных металлов по всему миру в основном находится в Китае (на эту страну приходится более 80% производства). Следовательно, она подвержена изменениям геополитической обстановки и торговым ограничениям, которые могут привести к перебоям в поставках и колебаниям цен.
Переработка редкоземельных магнитов - один из наиболее реальных способов решения вышеперечисленных проблем. Рециклинг, заключающийся в извлечении магнитов NdFeB из списанной электроники, отслуживших свой срок автомобилей и промышленного оборудования, снижает потребность в новой добыче, сокращает производственные затраты и повышает эффективность использования ресурсов.
Трудности переработки редкоземельных магнитов
Переработка редкоземельных магнитов стала основой сектора чистой энергии, который обеспечивает значительный потенциал для озеленения окружающей среды, снижения риска сбоев в производстве исходных материалов и увеличения продолжительности использования редкоземельных материалов. Несмотря на то что переработка неодимовых магнитов обладает большим экономическим и экологическим потенциалом, ее практическая реализация по-прежнему сопряжена с трудностями.
1. Низкий уровень переработки отходов
Во всем мире перерабатывается только 1-2% магнитов NdFeB, в то время как алюминий перерабатывается в 50%, а медь - в 40%. Почему такой разрыв? Многие люди не знают, что эти магниты могут быть переработаны, а инфраструктура часто отсутствует. По оценкам Программы ООН по окружающей среде, в 50 миллионах тонн электронных отходов ежегодно содержится до 100 000 тонн магнитов NdFeB, пригодных для переработки, но из них извлекается менее 1%.
2. Технические проблемы разделения
Хотя магниты NdFeB содержат более высокую концентрацию редких земель, чем природные руды, в отходах они часто смешиваются с такими материалами, как пластик, медь и сталь, что разбавляет содержание редких земель. Например, магниты NdFeB в выброшенных жестких дисках составляют всего 1-2% от общего веса. Для извлечения таких низких концентраций требуются передовые технологии сортировки, однако обычные методы физического разделения неэффективны и не позволяют добиться высокой чистоты извлечения. Гидрометаллургические процессы позволяют извлекать редкоземельные металлы, но при этом используются сильные кислоты и большие объемы воды, что приводит к образованию сильно загрязненных сточных вод.
Магниты NdFeB обычно покрыты никелем, цинком или эпоксидной смолой для предотвращения коррозии, и эти покрытия трудно удалить при переработке. Кроме того, многие магниты закреплены в изделиях с помощью сложных клеев, что еще больше усложняет процесс разделения из-за их химических свойств.
3. Экономические барьеры для переработки отходов
По сравнению с добычей первичных редкоземельных металлов, переработка магнитов NdFeB сопряжена с высокими первоначальными инвестициями и эксплуатационными расходами. По оценкам, переработка 1 тонны магнитов NdFeB обходится примерно в $50-70 за килограмм, в то время как рыночная цена первичных редкоземельных металлов составляет $30-50 за килограмм. Снижение затрат потребует технологического прогресса и расширения рынка. Чтобы сделать переработку более доступной, правительства могут предлагать субсидии или углеродные квоты, стимулируя компании строить больше заводов по переработке.
4. Принятие рынком и вопросы качества
Рыночное признание переработанных магнитов NdFeB зависит от их качества и производительности. Некоторые переработанные материалы не соответствуют качеству первичных материалов из-за примесей или технологических ограничений. Переработанные магниты должны соответствовать качеству новых, чтобы использоваться в высокотехнологичных приложениях, таких как электродвигатели автомобилей.
Технологии переработки редкоземельных магнитов
Традиционные методы переработки, такие как прямое повторное использование, гидрометаллургия и пирометаллургия, заложили основу, но их высокое энергопотребление и загрязнение окружающей среды ограничивают широкое распространение. В последние годы новые технологии, такие как биовыщелачивание, экстракция ионными жидкостями и переработка водорода, меняют ландшафт переработки редкоземельных металлов, способствуя развитию отрасли с более высокой эффективностью и меньшим углеродным следом.
1. Прямое повторное использование и порошковая металлургия
Прямое повторное использование подразумевает демонтаж отработанных магнитов NdFeB из отбракованных изделий и их переработку в новые магниты. Это характерно для магнитов, форма и свойства которых по-прежнему отвечают требованиям. После демонтажа магниты очищаются, декорируются и проверяются на работоспособность; если они соответствуют стандартам, их можно сразу использовать в маловостребованных приложениях. Порошковая металлургия позволяет измельчить магниты в порошок, который затем спекается в новые магниты. Этот метод позволяет избежать сложной химической обработки и имеет более низкую стоимость, но ограничен в применении.
2. Гидрометаллургия: Кислотное выщелачивание и экстракция растворителем
Гидрометаллургия извлекает редкоземельные элементы из магнитов NdFeB путем химического растворения и сепарации. Отработанные магниты сначала растворяются в жидких металлических солях с помощью кислот, а затем с помощью экстракции растворителем отделяются такие элементы, как неодим и диспрозий. Этот метод позволяет достичь высоких показателей извлечения (до 95%) и может работать со сложными отходами. Однако у него есть существенные недостатки: использование большого количества сильных кислот и органических растворителей приводит к образованию сильно загрязненных сточных вод - 10-15 тонн сточных вод на тонну извлеченных редкоземельных элементов.
3. Пирометаллургия: Высокотемпературная обработка и плазменная дуга
Пирометаллургия разлагает магниты NdFeB на оксиды металлов или сплавы путем высокотемпературной плавки (обычно >1000°C), а затем электролизом или химическим восстановлением извлекает редкоземельные элементы. Плазменно-дуговая технология повышает эффективность за счет использования высокотемпературной плазмы (>6000°C) для быстрого разложения магнитов, что подходит для переработки сложных отходов с покрытиями или клеем. Однако пирометаллургия чрезвычайно энергоемка, выбросы углерода примерно в 1,5 раза выше, чем при гидрометаллургии, а высокие температуры могут вызвать улетучивание редкоземельных элементов, в результате чего коэффициент извлечения составляет всего 70-85%.
4. Биовыщелачивание: микробная экстракция
Биовыщелачивание использует ацидофильные микроорганизмы для извлечения редкоземельных элементов из отработанных магнитов. В процессе метаболизма микроорганизмы производят органические кислоты, растворяя редкоземельные элементы в разделяемые соединения. Этот метод экологически безопасен: загрязнение сточных вод гораздо меньше, чем при гидрометаллургии, а потребление энергии составляет около одной трети от традиционных методов.
5. Экстракция ионной жидкостью
Ионные жидкости (ИЖ) - это экологичные растворители с низкой летучестью, пригодные для вторичной переработки, которые используются для замены органических растворителей в традиционной гидрометаллургии. Они избирательно растворяют редкоземельные элементы для высокочистого разделения. Например, ионные жидкости на основе имидазолия достигают эффективности извлечения до 98% для неодима и диспрозия, при этом образуется на 70% меньше сточных вод.
6. Водородная обработка магнитного лома (HPMS)
Технология водородной переработки магнитного лома (HPMS) компании HyProMag использует водород под давлением окружающей среды для разложения магнитов NdFeB в порошок NdFeB высокой чистоты. Этот процесс не требует высоких температур или сильных кислот, при этом выбросы углерода на 70% ниже, чем при гидрометаллургии, а коэффициент извлечения превышает 90%. Полученный порошок может быть непосредственно использован для спекания новых магнитов, причем его характеристики отличаются от характеристик первичных магнитов менее чем на 5%.
7. Сверхкритический CO2 и электрохимические методы
Сверхкритический диоксид углерода (SC-CO2) позволяет использовать высокую проницаемость и растворимость в сочетании с органическими лигандами для извлечения редкоземельных элементов. Работая при высоком давлении и умеренной температуре, этот метод генерирует минимальное количество сточных вод и достигает коэффициентов извлечения 85-90%. Электрохимические методы избирательно осаждают редкоземельные элементы в раствор путем электролиза, что позволяет избежать образования кислых сточных вод.
8. Метод медной соли
Метод медной соли предполагает реакцию магнитов NdFeB с раствором медной соли для преимущественного растворения редкоземельных элементов с образованием разделяемых соединений. Этот метод обеспечивает высокую степень извлечения (>95%) и на 50% меньше углеродного следа, чем гидрометаллургия. Исследования Университета Тохоку (Япония) показали, что этот метод эффективно перерабатывает магниты с покрытием с легко нейтрализуемыми сточными водами. Однако для этого требуется точная предварительная сортировка отходов, а переработка медных солей нуждается в дальнейшей оптимизации для снижения затрат.
Реферат: Долгосрочная ценность переработки редкоземельных металлов
Добыча редкоземельных металлов похожа на использование гигантских экскаваторов, которые сдирают кожу Земли, оставляя шрамы от загрязнения воды, деградации почвы и огромных выбросов углекислого газа. В районах добычи редкоземельных металлов ежегодно образуются миллионы тонн токсичных хвостов, загрязняющих реки и сельскохозяйственные угодья. Переработка 1 тонны магнитов позволяет сократить примерно 12 тонн добычи руды и 15 тонн выбросов сточных вод. Эта технология сводит к минимуму ущерб, наносимый Земле.
По оценкам проекта ЕС REE silience, к 2030 году переработка может удовлетворить 15-20% европейского спроса на редкоземельные металлы, а американский проект ReCycle направлен на достижение 10% самодостаточности по неодиму к 2027 году. Переработанные магниты стоят на 20-30% меньше, чем добытые, что делает переработку редкоземельных металлов одним из основных элементов циркулярной экономики и долгосрочным решением для обеспечения устойчивости. В соответствии с Законом ЕС о критических сырьевых материалах к 2030 году 15% спроса на редкоземельные металлы должен быть удовлетворен за счет переработки, а китайский план развития циркулярной экономики также способствует индустриализации переработки редкоземельных металлов. Растущая осведомленность потребителей создает рыночный спрос на рециклинг, и в долгосрочной перспективе рециклинг редкоземельных металлов не только поддерживает цели, связанные с нулевым уровнем выбросов, но и способствует устойчивому экономическому росту за счет эффективного использования ресурсов.
Я занимаюсь научно-популярной литературой о магнитах. Мои статьи в основном посвящены принципам их действия, применению и анекдотам. Наша цель - предоставить читателям ценную информацию, помочь каждому лучше понять очарование и значение магнитов. В то же время мы будем рады услышать ваши мнения о потребностях, связанных с магнитами. Не стесняйтесь следовать за нами и сотрудничать с нами, ведь мы вместе исследуем бесконечные возможности магнитов!
