إعادة تدوير نفايات النيوديميوم والحديد والبورون: كنز ثمين لا يُفوَّت

تُستخدم مغناطيسات النيوديميوم والحديد البورون (NdFeB) الدائمة على نطاق واسع في توليد طاقة الرياح، ومركبات الطاقة الجديدة، والمنتجات الإلكترونية، نظرًا لخصائصها المغناطيسية الممتازة، مما أكسبها لقب “ملك المغناطيس”. ومع ذلك، فإن نسبة الخردة في عملية إنتاج مغناطيس NdFeB تصل إلى 30%، ومع عمرها الافتراضي المحدود، ينتج عن ذلك كمية كبيرة من نفايات NdFeB.

تحتوي هذه النفايات على ما يصل إلى 30% من العناصر الأرضية النادرة، وهو ما يفوق بكثير محتوى خامات العناصر الأرضية النادرة الأولية، مما يجعلها موردًا ثانويًا ذا قيمة عالية. يُعدّ استرداد العناصر الأرضية النادرة بكفاءة من نفايات NdFeB أمرًا بالغ الأهمية لضمان أمن موارد الأرض النادرة، والحد من التلوث البيئي، وتعزيز التنمية المستدامة.

خصائص ومصادر نفايات NdFeB

تنشأ نفايات NdFeB بشكل رئيسي من الخردة، والمنتجات المعيبة، والمنتجات الإلكترونية القديمة التي تحتوي على مغناطيس أثناء عملية تصنيع المغناطيس. تركيبها الكيميائي معقد؛ بالإضافة إلى العناصر الأرضية النادرة الرئيسية Nd وPr، غالبًا ما تُضاف عناصر مثل Dy وTb لتحسين الإكراه، وتُضاف عناصر مثل Co وAl وCu لتحسين الأداء العام. بناءً على محتوى العناصر الأرضية النادرة (REE)، يمكن تصنيف نفايات NdFeB إلى ثلاث فئات: عناصر أرضية نادرة منخفضة (REEs < 20%)، وعناصر أرضية نادرة متوسطة (20%-30%)، وعناصر أرضية نادرة عالية (>30%).

حاليًا، تنقسم عمليات إعادة تدوير نفايات NdFeB بشكل رئيسي إلى تقنيات إعادة تدوير حرارية، وهيدروميتالورجية، وتقنيات إعادة تدوير حديثة.

(I) عمليات إعادة التدوير الحرارية

تفصل إعادة التدوير الحرارية العناصر الأرضية النادرة عن الحديد من خلال تفاعلات عالية الحرارة. تشمل الطرق الرئيسية الأكسدة الانتقائية، والفصل بالكلور، والسبائك السائلة، وفصل انصهار الخبث والمعادن.

تعتمد الأكسدة الانتقائية على أن العناصر الأرضية النادرة تتمتع بألفة أعلى بكثير للأكسجين مقارنةً بالحديد. عند درجات الحرارة العالية، تتأكسد العناصر الأرضية النادرة انتقائيًا لتكوين أكاسيد، تُفصل بدورها عن الحديد المعدني. نجح ناكاموتو وآخرون في تحضير أكاسيد أرضية نادرة مختلطة بنقاء يتجاوز 95% ومعدل استخلاص يتجاوز 99%، وذلك من خلال التحكم الدقيق في الضغط الجزئي للأكسجين.

يعتمد فصل الكلورة على الألفة القوية بين العناصر الأرضية النادرة والكلور. تُستخدم عوامل الكلورة مثل NH4Cl وFeCl2 وMgCl2 لتحويل العناصر الأرضية النادرة إلى كلوريدات قبل الفصل. استخدم أودا FeCl2 كعامل كلورة، وتفاعل عند درجة حرارة 800 درجة مئوية، محققًا معدل استخلاص للعناصر الأرضية النادرة يبلغ 95.9% ونقاء منتج يتجاوز 99%.

تستفيد طريقة السبائك السائلة من اختلاف الألفة بين العناصر الأرضية النادرة والحديد بالنسبة للمعادن الأخرى لتحقيق إثراء وفصل فعال للعناصر الأرضية النادرة والحديد. يمكن لعنصر Nd الأرضي النادر أن يُشكّل سبائك متنوعة منخفضة درجة الانصهار مع Ag وMg وغيرها.

تعتمد طريقة فصل الخبث عن المعدن على خاصية اتحاد العناصر الأرضية النادرة في نفايات NdFeB بسهولة أكبر مع الأكسجين. تُحوّل جميع المعادن الموجودة في نفايات NdFeB إلى أكاسيد معدنية. وفي الوقت نفسه، وتحت درجة حرارة عالية لعامل التخصيب، تُحوّل أكاسيد الحديد إلى Fe معدني عن طريق التحكم في ظروف الاختزال.

(II) عملية الاستعادة الرطبة

تُعدّ عملية الاستعادة الرطبة حاليًا الطريقة الأكثر استخدامًا، وتشمل بشكل رئيسي طريقة الإذابة الكلية، وطريقة الإذابة التفضيلية بحمض الهيدروكلوريك، وطريقة الترسيب الملحي المزدوج، وطريقة الاستخلاص بالمذيبات.

(III) عمليات إعادة التدوير الجديدة

تهدف تقنيات إعادة التدوير الجديدة إلى حل مشاكل استهلاك الطاقة المرتفع والتلوث المرتفع المرتبط بالطرق التقليدية، بما في ذلك انفجار الهيدروجين، والاستخلاص البيولوجي، والطرق الكهروكيميائية.

مقارنة بين عمليات إعادة التدوير المختلفة وتأثيرها البيئي

تتميز عمليات المعالجة الحرارية المعدنية بمعدلات تدفق قصيرة وقدرات معالجة كبيرة، إلا أنها تتطلب استهلاكًا كبيرًا للطاقة وصعوبة في فصل العناصر الأرضية النادرة المفردة؛ وتتميز عمليات المعالجة المائية المعدنية بمعدلات استرداد عالية ونقاء عالٍ للمنتج، إلا أنها تتطلب استهلاكًا كبيرًا للأحماض وتكاليف معالجة عالية لمياه الصرف الصحي؛ أما العمليات الحديثة، مثل الاستخلاص الحيوي والطرق الكهروكيميائية، فهي صديقة للبيئة، إلا أنها في الغالب في مرحلة المختبر ولم تُطبق على نطاق واسع بعد.

من حيث التأثير البيئي، غالبًا ما تستخدم عمليات إعادة التدوير التقليدية أحماضًا وقلويات قوية ودرجات حرارة عالية، مما يُنتج كميات كبيرة من السوائل والغازات العادمة، مما يزيد العبء البيئي. لذلك، يُعد تطوير عمليات إعادة تدوير صديقة للبيئة ومنخفضة الاستهلاك أمرًا بالغ الأهمية.

تُعد إعادة تدوير نفايات NdFeB وسيلة رئيسية للتخفيف من نقص موارد الأرض النادرة والحد من التلوث البيئي. من خلال الابتكار التكنولوجي وتوجيه السياسات، ستتطور صناعة إعادة تدوير NdFeB نحو عمليات صديقة للبيئة ومنخفضة التكلفة وقصيرة المدة ومعدلات استرداد عالية، مما يُعطي زخمًا جديدًا للتنمية المستدامة.