Tái chế chất thải sắt bo neodymium: kho báu không thể bỏ lỡ
Nam châm vĩnh cửu Neodymium sắt boron (NdFeB) được sử dụng rộng rãi trong sản xuất điện gió, xe năng lượng mới và các sản phẩm điện tử nhờ tính chất từ tính tuyệt vời, mang lại cho chúng danh hiệu “Vua nam châm”. Tuy nhiên, tỷ lệ phế liệu trong quá trình sản xuất nam châm NdFeB lên tới 30%, cùng với tuổi thọ hạn chế, dẫn đến một lượng lớn chất thải NdFeB.
Những chất thải này chứa tới 30% nguyên tố đất hiếm, vượt xa hàm lượng quặng đất hiếm nguyên sinh, khiến chúng trở thành nguồn tài nguyên thứ cấp vô cùng giá trị. Việc thu hồi hiệu quả các nguyên tố đất hiếm từ chất thải NdFeB là rất quan trọng để đảm bảo an ninh tài nguyên đất hiếm, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và thúc đẩy phát triển bền vững.
Đặc điểm và nguồn gốc của chất thải NdFeB
Chất thải NdFeB chủ yếu có nguồn gốc từ phế liệu, sản phẩm lỗi và các sản phẩm điện tử đã qua sử dụng có chứa nam châm trong quá trình sản xuất nam châm. Thành phần hóa học của nó rất phức tạp; Ngoài các nguyên tố đất hiếm chính là Nd và Pr, các nguyên tố như Dy và Tb thường được thêm vào để cải thiện lực kháng từ, và các nguyên tố như Co, Al và Cu được thêm vào để cải thiện hiệu suất tổng thể. Dựa trên hàm lượng nguyên tố đất hiếm (REE), chất thải NdFeB có thể được phân loại thành ba loại: hàm lượng đất hiếm thấp (REE < 20%), hàm lượng đất hiếm trung bình (20%–30%) và hàm lượng đất hiếm cao (> 30%).
Hiện nay, các quy trình tái chế chất thải NdFeB chủ yếu được chia thành các công nghệ tái chế nhiệt luyện, thủy luyện và công nghệ tái chế mới.
(I) Các quy trình tái chế nhiệt luyện
Tái chế nhiệt luyện tách các nguyên tố đất hiếm khỏi sắt thông qua các phản ứng ở nhiệt độ cao. Các phương pháp chính bao gồm oxy hóa chọn lọc, tách clo, hợp kim lỏng và tách nhiệt hạch kim loại.
Oxy hóa chọn lọc dựa trên thực tế là các nguyên tố đất hiếm có ái lực với oxy cao hơn nhiều so với sắt. Ở nhiệt độ cao, các nguyên tố đất hiếm bị oxy hóa chọn lọc để tạo thành oxit, sau đó được tách khỏi sắt kim loại. Nakamoto và cộng sự đã điều chế thành công oxit đất hiếm hỗn hợp với độ tinh khiết trên 95% và tỷ lệ thu hồi trên 99% bằng cách kiểm soát chính xác áp suất riêng phần oxy.
Phân tách bằng clo hóa sử dụng ái lực mạnh giữa các nguyên tố đất hiếm và clo. Các tác nhân clo hóa như NH4Cl, FeCl2 hoặc MgCl2 được sử dụng để chuyển các nguyên tố đất hiếm thành clorua trước khi phân tách. Uda đã sử dụng FeCl2 làm tác nhân clo hóa, phản ứng ở 800℃, đạt tỷ lệ thu hồi đất hiếm là 95,9% và độ tinh khiết sản phẩm trên 99%.
Phương pháp hợp kim lỏng sử dụng sự khác biệt về ái lực giữa các nguyên tố đất hiếm và sắt đối với các kim loại khác để đạt được hiệu quả làm giàu và phân tách các nguyên tố đất hiếm và sắt. Nguyên tố đất hiếm Nd có thể tạo thành nhiều hợp kim có nhiệt độ nóng chảy thấp với Ag, Mg, v.v.
Phương pháp tách xỉ-kim loại dựa trên đặc tính các nguyên tố đất hiếm trong chất thải NdFeB dễ kết hợp với oxy hơn. Tất cả các kim loại trong chất thải NdFeB được chuyển hóa thành oxit kim loại. Đồng thời, dưới nhiệt độ cao của tác nhân tạo xỉ, oxit sắt được chuyển hóa thành Fe kim loại bằng cách kiểm soát các điều kiện khử.
(II) Quy trình Thu hồi Ướt
Thu hồi ướt hiện là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất, chủ yếu bao gồm phương pháp hòa tan hoàn toàn, phương pháp hòa tan ưu tiên axit clohydric, phương pháp kết tủa muối kép và phương pháp chiết dung môi.
(III) Quy trình Tái chế Mới
Các công nghệ tái chế mới nhằm giải quyết các vấn đề tiêu thụ năng lượng cao và ô nhiễm cao liên quan đến các phương pháp truyền thống, bao gồm nổ hydro, ngâm chiết sinh học và phương pháp điện hóa.
So sánh các quy trình tái chế khác nhau và tác động môi trường
Các quy trình luyện kim nhiệt luyện có lưu lượng dòng chảy ngắn và công suất xử lý lớn, nhưng tiêu thụ năng lượng cao và khó tách riêng từng nguyên tố đất hiếm; các quy trình thủy luyện có tỷ lệ thu hồi cao và độ tinh khiết sản phẩm cao, nhưng tiêu thụ axit cao và chi phí xử lý nước thải cao; các quy trình mới hơn như phương pháp ngâm chiết sinh học và điện hóa thân thiện với môi trường, nhưng chủ yếu đang ở giai đoạn phòng thí nghiệm và chưa được áp dụng trên quy mô lớn.
Về tác động môi trường, các quy trình tái chế truyền thống thường sử dụng axit mạnh, kiềm mạnh và nhiệt độ cao, tạo ra lượng lớn chất thải lỏng và khí thải, làm tăng gánh nặng môi trường. Do đó, việc phát triển các quy trình tái chế xanh và tiêu thụ ít là rất quan trọng.
Tái chế chất thải NdFeB là một giải pháp then chốt để giảm thiểu tình trạng thiếu hụt tài nguyên đất hiếm và giảm ô nhiễm môi trường. Thông qua đổi mới công nghệ và định hướng chính sách, ngành công nghiệp tái chế NdFeB sẽ phát triển theo hướng xanh hóa, chi phí thấp, quy trình ngắn và tỷ lệ thu hồi cao, tạo động lực mới cho phát triển bền vững.