การรีไซเคิลขยะนีโอดิเมียมเหล็กโบรอน: ขุมทรัพย์ที่ไม่ควรพลาด

แม่เหล็กถาวรนีโอดิเมียมเหล็กโบรอน (NdFeB) ถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายในการผลิตพลังงานลม รถยนต์พลังงานใหม่ และผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ เนื่องจากมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่ยอดเยี่ยม จึงได้รับการยกย่องให้เป็น “ราชาแห่งแม่เหล็ก” อย่างไรก็ตาม อัตราเศษวัสดุในกระบวนการผลิตแม่เหล็ก NdFeB สูงถึง 30% และเมื่อรวมกับอายุการใช้งานที่จำกัด ทำให้เกิดของเสีย NdFeB จำนวนมาก

ของเสียเหล่านี้มีธาตุหายากมากถึง 30% ซึ่งมากกว่าปริมาณแร่หายากขั้นต้นมาก ทำให้เป็นทรัพยากรรองที่มีคุณค่าสูง การนำธาตุหายากออกจากของเสีย NdFeB อย่างมีประสิทธิภาพเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งต่อการสร้างความมั่นคงของทรัพยากรหายาก ลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม และส่งเสริมการพัฒนาอย่างยั่งยืน

ลักษณะและแหล่งที่มาของของเสีย NdFeB

ของเสีย NdFeB ส่วนใหญ่มาจากเศษวัสดุ ผลิตภัณฑ์ที่มีตำหนิ และผลิตภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เลิกผลิตแล้วซึ่งมีแม่เหล็กอยู่ในกระบวนการผลิตแม่เหล็ก องค์ประกอบทางเคมีของแม่เหล็กมีความซับซ้อน นอกจากธาตุหายากหลักอย่าง Nd และ Pr แล้ว ธาตุต่างๆ เช่น Dy และ Tb มักถูกเติมลงไปเพื่อปรับปรุงแรงบีบบังคับ และมีการเติมธาตุต่างๆ เช่น Co, Al และ Cu เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม ของเสียจาก NdFeB สามารถจำแนกตามปริมาณธาตุหายาก (REE) ได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ ธาตุหายากต่ำ (REEs < 20%) ธาตุหายากปานกลาง (20%–30%) และธาตุหายากสูง (> 30%)

ปัจจุบัน กระบวนการรีไซเคิลของเสียจาก NdFeB แบ่งออกเป็นเทคโนโลยีการรีไซเคิลแบบไพโรเมทัลลูร์จี (Pyrometallurgical), ไฮโดรเมทัลลูร์จี (Hydrometallurgical) และเทคโนโลยีการรีไซเคิลแบบใหม่

(I) กระบวนการรีไซเคิลแบบไพโรเมทัลลูร์จี (Pyrometallurgical Recycling)

การรีไซเคิลแบบไพโรเมทัลลูร์จี (Pyrometallurgical Recycling) คือการรีไซเคิลธาตุหายากออกจากเหล็กด้วยปฏิกิริยาที่อุณหภูมิสูง วิธีการหลักๆ ได้แก่ การออกซิเดชันแบบเลือก การแยกด้วยคลอรีน การผสมด้วยของเหลว และการแยกด้วยโลหะหลอมเหลวจากตะกรัน

การออกซิเดชันแบบเลือกมีพื้นฐานมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าธาตุหายากมีสัมประสิทธิ์การเกาะติดออกซิเจนสูงกว่าเหล็กมาก ที่อุณหภูมิสูง ธาตุหายากจะถูกออกซิไดซ์อย่างเฉพาะเจาะจงจนเกิดเป็นออกไซด์ ซึ่งจะถูกแยกออกจากโลหะเหล็ก นากาโมโตะและคณะ ประสบความสำเร็จในการเตรียมออกไซด์หายากแบบผสมที่มีความบริสุทธิ์เกิน 95% และอัตราการคืนสภาพ (recovery rate) เกิน 99% โดยการควบคุมความดันย่อยของออกซิเจนอย่างแม่นยำ

การแยกด้วยคลอรีนใช้ประโยชน์จากความสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งระหว่างธาตุหายากและคลอรีน สารคลอรีน เช่น NH4Cl, FeCl2 หรือ MgCl2 ถูกใช้เพื่อเปลี่ยนธาตุหายากให้เป็นคลอไรด์ก่อนการแยก Uda ใช้ FeCl2 เป็นสารคลอรีน ทำปฏิกิริยาที่อุณหภูมิ 800°C ทำให้ได้อัตราการคืนสภาพ (recovery rate) 95.9% และความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์เกิน 99%

วิธีการผสมของเหลวใช้ความแตกต่างของความสัมพันธ์ระหว่างธาตุหายากและเหล็กสำหรับโลหะอื่นๆ เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพในการเสริมสมรรถนะและการแยกธาตุหายากและเหล็ก ธาตุหายาก Nd สามารถก่อตัวเป็นโลหะผสมที่มีจุดหลอมเหลวต่ำได้หลากหลายชนิด เช่น Ag, Mg และอื่นๆ

วิธีการแยกตะกรันโลหะมีพื้นฐานมาจากคุณสมบัติที่ธาตุหายากในขยะ NdFeB สามารถรวมตัวกับออกซิเจนได้ง่ายกว่า โลหะทั้งหมดในขยะ NdFeB จะถูกเปลี่ยนเป็นออกไซด์ของโลหะ ในเวลาเดียวกัน ภายใต้อุณหภูมิสูงของสารตะกรัน ออกไซด์ของเหล็กจะถูกเปลี่ยนเป็น Fe ของโลหะโดยการควบคุมสภาวะรีดักชัน

(II) กระบวนการกู้คืนแบบเปียก

ปัจจุบันการกู้คืนแบบเปียกเป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด โดยส่วนใหญ่ประกอบด้วยวิธีการละลายทั้งหมด วิธีการละลายกรดไฮโดรคลอริก วิธีการตกตะกอนเกลือสองชั้น และวิธีการสกัดด้วยตัวทำละลาย

(III) กระบวนการรีไซเคิลแบบใหม่

เทคโนโลยีรีไซเคิลแบบใหม่มีจุดมุ่งหมายเพื่อแก้ปัญหาการใช้พลังงานสูงและมลพิษสูงที่เกี่ยวข้องกับวิธีการแบบดั้งเดิม เช่น การระเบิดด้วยไฮโดรเจน การชะล้างทางชีวภาพ และวิธีการทางเคมีไฟฟ้า

การเปรียบเทียบกระบวนการรีไซเคิลที่แตกต่างกันและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม

กระบวนการไพโรเมทัลลูร์จิคัลมีอัตราการไหลสั้นและกำลังการผลิตสูง แต่ใช้พลังงานสูงและแยกธาตุหายากแต่ละชนิดได้ยาก กระบวนการไฮโดรเมทัลลูร์จิคัลมีอัตราการคืนสภาพที่สูงและความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์สูง แต่ใช้กรดสูงและต้นทุนการบำบัดน้ำเสียสูง กระบวนการใหม่ๆ เช่น การชะล้างทางชีวภาพและวิธีการทางเคมีไฟฟ้าเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม แต่ส่วนใหญ่อยู่ในห้องปฏิบัติการและยังไม่ได้ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวาง

ในแง่ของผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม กระบวนการรีไซเคิลแบบดั้งเดิมมักใช้กรดเข้มข้น ด่างเข้มข้น และอุณหภูมิสูง ทำให้เกิดของเหลวและก๊าซเสียจำนวนมาก ซึ่งเป็นการเพิ่มภาระด้านสิ่งแวดล้อม ดังนั้น การพัฒนากระบวนการรีไซเคิลที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและใช้พลังงานต่ำจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง

การรีไซเคิลขยะ NdFeB เป็นวิธีสำคัญในการบรรเทาปัญหาการขาดแคลนทรัพยากรหายากและลดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อม ด้วยนวัตกรรมทางเทคโนโลยีและแนวทางนโยบาย อุตสาหกรรมรีไซเคิล NdFeB จะพัฒนาไปสู่การเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม ต้นทุนต่ำ กระบวนการสั้น และอัตราการคืนสภาพที่สูง ซึ่งเป็นแรงผลักดันใหม่สู่การพัฒนาที่ยั่งยืน