بازیافت ضایعات آهن نئودیمیوم بور: گنجینه‌ای فراموش‌نشدنی
آهنرباهای دائمی نئودیمیوم آهن بور (NdFeB) به دلیل خواص مغناطیسی عالی خود به طور گسترده در تولید انرژی بادی، وسایل نقلیه انرژی جدید و محصولات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرند و عنوان “پادشاه آهنرباها” را به خود اختصاص داده‌اند. با این حال، میزان ضایعات در فرآیند تولید آهنربای NdFeB به 30٪ می‌رسد و همراه با طول عمر محدود آنها، این امر منجر به مقدار زیادی زباله NdFeB می‌شود.
این زباله‌ها حاوی تا 30٪ عناصر خاکی کمیاب هستند که بسیار بیشتر از محتوای سنگ معدن‌های خاکی کمیاب اولیه است و آنها را به یک منبع ثانویه بسیار ارزشمند تبدیل می‌کند. بازیابی کارآمد عناصر خاکی کمیاب از زباله‌های NdFeB برای تضمین امنیت منابع خاکی کمیاب، کاهش آلودگی محیط زیست و ترویج توسعه پایدار بسیار مهم است.
ویژگی‌ها و منابع زباله‌های NdFeB
زباله‌های NdFeB عمدتاً از ضایعات، محصولات معیوب و محصولات الکترونیکی از رده خارج شده حاوی آهنربا در طول فرآیند تولید آهنربا سرچشمه می‌گیرند. ترکیب شیمیایی آن پیچیده است. علاوه بر عناصر خاکی کمیاب اصلی Nd و Pr، عناصری مانند Dy و Tb اغلب برای بهبود وادارندگی اضافه می‌شوند و عناصری مانند Co، Al و Cu برای بهبود عملکرد کلی اضافه می‌شوند. بر اساس محتوای عناصر خاکی کمیاب (REE)، ضایعات NdFeB را می‌توان به سه دسته طبقه‌بندی کرد: عناصر خاکی کمیاب کم (REEها < 20%)، عناصر خاکی کمیاب متوسط (20%-30%) و عناصر خاکی کمیاب زیاد (> 30%).
در حال حاضر، فرآیندهای بازیافت ضایعات NdFeB عمدتاً به فناوری‌های پیرومتالورژی، هیدرومتالورژی و بازیافت نوین تقسیم می‌شوند.
(I) فرآیندهای بازیافت پیرومتالورژی
بازیافت پیرومتالورژی، عناصر خاکی کمیاب را از طریق واکنش‌های دمای بالا از آهن جدا می‌کند. روش‌های اصلی شامل اکسیداسیون انتخابی، جداسازی کلرزنی، آلیاژسازی مایع و جداسازی همجوشی سرباره-فلز است.
اکسیداسیون انتخابی بر این واقعیت استوار است که عناصر خاکی کمیاب میل ترکیبی بسیار بیشتری با اکسیژن نسبت به آهن دارند. در دماهای بالا، عناصر خاکی کمیاب به صورت انتخابی اکسید می‌شوند تا اکسید تشکیل دهند که سپس از آهن فلزی جدا می‌شوند. ناکاموتو و همکارانش با کنترل دقیق فشار جزئی اکسیژن، اکسیدهای خاکی کمیاب مخلوط را با خلوص بیش از 95٪ و نرخ بازیابی بیش از 99٪ با موفقیت تهیه کردند.
جداسازی کلرزنی از میل ترکیبی قوی بین عناصر خاکی کمیاب و کلر استفاده می‌کند. عوامل کلرزنی مانند NH4Cl، FeCl2 یا MgCl2 برای تبدیل عناصر خاکی کمیاب به کلریدها قبل از جداسازی استفاده می‌شوند. اودا از FeCl2 به عنوان عامل کلرزنی استفاده کرد و در دمای 800 درجه سانتیگراد واکنش داد و به نرخ بازیابی خاک کمیاب 95.9٪ و خلوص محصول بیش از 99٪ دست یافت.
روش آلیاژسازی مایع از تفاوت میل ترکیبی بین عناصر خاکی کمیاب و آهن برای سایر فلزات برای دستیابی به غنی‌سازی و جداسازی مؤثر عناصر خاکی کمیاب و آهن استفاده می‌کند. عنصر خاکی کمیاب Nd می‌تواند آلیاژهای مختلف با نقطه ذوب پایین را با Ag، Mg و غیره تشکیل دهد.
روش جداسازی سرباره-فلز بر اساس این ویژگی است که عناصر خاکی کمیاب در ضایعات NdFeB راحت‌تر با اکسیژن ترکیب می‌شوند. تمام فلزات موجود در ضایعات NdFeB به اکسیدهای فلزی تبدیل می‌شوند. همزمان، تحت دمای بالای یک عامل سرباره، اکسیدهای آهن با کنترل شرایط احیا به آهن فلزی تبدیل می‌شوند.
(II) فرآیند بازیابی مرطوب
بازیابی مرطوب در حال حاضر پرکاربردترین روش است که عمدتاً شامل روش انحلال کامل، روش انحلال ترجیحی اسید هیدروکلریک، روش رسوب نمک مضاعف و روش استخراج حلال است.
(III) فرآیندهای جدید بازیافت
هدف فناوری‌های جدید بازیافت، حل مشکلات مصرف بالای انرژی و آلودگی زیاد مرتبط با روش‌های سنتی، از جمله انفجار هیدروژن، بیولیچینگ و روش‌های الکتروشیمیایی است.
مقایسه فرآیندهای مختلف بازیافت و تأثیر زیست‌محیطی
فرآیندهای پیرومتالورژی دارای نرخ جریان کوتاه و ظرفیت‌های فرآوری بالا هستند، اما مصرف انرژی بالایی دارند و جداسازی عناصر نادر خاکی منفرد دشوار است. فرآیندهای هیدرومتالورژی دارای نرخ بازیابی بالا و خلوص بالای محصول هستند، اما مصرف اسید بالا و هزینه‌های بالای تصفیه فاضلاب دارند. فرآیندهای جدیدتر مانند بیولیچینگ و روش‌های الکتروشیمیایی سازگار با محیط زیست هستند، اما بیشتر در مرحله آزمایشگاهی هستند و هنوز در مقیاس بزرگ اعمال نشده‌اند.
از نظر تأثیر زیست‌محیطی، فرآیندهای بازیافت سنتی اغلب از اسیدهای قوی، قلیاهای قوی و دماهای بالا استفاده می‌کنند که مقادیر زیادی مایع زائد و گاز زائد تولید می‌کنند و بار زیست‌محیطی را افزایش می‌دهند. بنابراین، توسعه فرآیندهای بازیافت سبز و کم‌مصرف بسیار مهم است.
بازیافت ضایعات NdFeB یک راه کلیدی برای کاهش کمبود منابع نادر خاکی و کاهش آلودگی محیط زیست است. از طریق نوآوری‌های تکنولوژیکی و راهنمایی‌های سیاستی، صنعت بازیافت NdFeB به سمت سبز شدن، کم‌هزینه بودن، فرآیندهای کوتاه و نرخ بازیابی بالا توسعه خواهد یافت و انگیزه جدیدی را به توسعه پایدار تزریق می‌کند.