Jak elementy ziem rzadkich można przetworzyć ponownie z magnesów
W ramach projektu NEO-CYCLE w Niemczech, w którym biorą udział badacze z Fraunhofer IKTS oraz TU Bergakademie Freiberg, rozwijana jest technologia umożliwiająca odzyskiwanie pierwiastków ziem rzadkich, takich jak neodym, z magnesów. Takie magnesy są wykorzystywane m.in. w pojazdach elektrycznych i turbinach wiatrowych, a dzięki tym nowym technologiom mogą być przetwarzane na nowo w Europie do zastosowań w innych branżach, w tym w farmaceutyce i gospodarce wodorowej.
Zdjęcie: Fraunhofer IKTS
Jak często pojawiało się to w światowych mediach w ostatnich latach, pierwiastki ziem rzadkich są niezbędne w przemyśle, ale zazwyczaj są importowane poprzez skomplikowane procesy, co powoduje trudne zależności geopolityczne. Przykładem może być metal ziem rzadkich neodym – 90 procent którego jest przetwarzane w Chinach. Badacze z Instytutu Technologii i Systemów Ceramicznych Fraunhofera (IKTS), we współpracy z partnerem projektu TU Bergakademie Freiberg oraz innymi zaangażowanymi stronami, doskonalą metody recyklingu w celu odzyskiwania pierwiastków ziem rzadkich z starych magnesów.
Naukowcy skupiają się na magnesach neodymowych, które zespół Fraunhofera zalicza do najsilniejszych magnesów trwałych na świecie. Instytut zaznacza, że połączenie neodymu, żelaza i boru jest wykorzystywane w pojazdach elektrycznych, a także w turbinach wiatrowych oraz produktach elektronicznych, takich jak głośniki, smartfony i dyski twarde. Globalne zapotrzebowanie na magnesy trwałe rośnie, a szacunki wskazują na roczną stopę wzrostu sięgającą nawet 8,3 procenta. Jak podkreślają partnerzy badawczy, bardzo ważne jest recykling trudno dostępnych pierwiastków ziem rzadkich, takich jak neodym, na terenie kraju, ale wiąże się to również z bardzo złożonymi procesami.
Ponowne wykorzystanie neodymu do produkcji nowych magnesów wymaga bardzo wysokiego poziomu czystości. Według Fraunhofer IKTS magnesy w Europie są obecnie zbierane po pierwszym użyciu i wysyłane do Chin w celu ponownej obróbki.
W projekcie UE NEO-CYCLE 23 partnerów pracuje nad opracowaniem procesów pozyskiwania cennych surowców w obrębie Europy. Dr Sandra Pavón, kierownikka zespołu zajmującego się recyklingiem hydrometalurgicznym i chemią surowców w Fraunhofer IKTS, mówi: „Naszym celem jest odzyskiwanie pierwiastków ziem rzadkich z odpadów elektronicznych i wykorzystywanie ich w produktach o wysokiej wartości, takich jak ekologiczne nawozy, oraz w produkcji leków. Dzięki temu uda się zamknąć cykl materiałowy, chronić środowisko i zmniejszyć globalną zależność od zasobów strategicznych” – wyjaśnia.
Proces upcyklingu jest możliwy dla różnych typów magnesów. W projekcie NEO-CYCLE nacisk kładziony jest na dyski twarde (HDD), czyli dyski z porzuconych komputerów i laptopów, które zawierają magnesy neodymowe. „Testujemy dwa metody przetwarzania magnesów – chlorowanie w stanie stałym oraz procesy elektrochemiczne – aby wybrać najodpowiedniejszą technologię”, wyjaśnia Pavón.
W procesie chlorowania w stanie stałym partner projektu, TU Bergakademie Freiberg, dodaje chlorek amonu zamiast konwencjonalnej kwasu solnego do mieszanki neodymu, boru i żelaza pochodzącej z odpadów i w procesie termicznym przekształca ją bezpośrednio w chlorki metali oraz roztwór amoniaku o wysokiej czystości. Ta metoda jest już opatentowana i jest wykorzystywana w lampach fluorescencyjnych. Badacze sprawdzają obecnie, czy ten podejście można również zastosować do przekształcania magnesów w produkty o wyższej wartości. Wyniki pokazują, że chlorki metali można znacznie efektywniej wydobyć z materiału magnetycznego, osiągając niemal całkowite wyodrębnienie metali przy stosunkowo niskim zużyciu chemikaliów.
W drugiej przetestowanej metodzie badacze wprowadzają rozproszone odpady magnetyczne do komórki elektrochemicznej. Elektrolit, taki jak rozcieńczona kwas siarkowy, pełni rolę medium reakcji dla procesów elektrochemicznych. Najpierw z magnesów wydobywana jest roztwór boru, który następnie jest zagęszczany. Ten roztwór może być wykorzystywany w przemyśle chemicznym i farmaceutycznym.
Naukowcy z Fraunhofer IKTS dalej oddzielają produkty uzyskane w wyniku tych dwóch procesów, wykorzystując swoją wiedzę z zakresu separacji metali oraz oczyszczania wody procesowej. Sandra Pavón i jej zespół stosują selektywny proces hydrometalurgiczny, aby najpierw wydobyć neodym i żelazo. Następnie sole metali mogą być uzyskane w stanie czystym. Oddzielone substancje są dalej przetwarzane przez partnerów projektu i dostarczane nie tylko do przemysłu chemicznego i farmaceutycznego, ale także do sektorów takich jak gospodarka wodorowa i przemysł nawozowy.
Projekt NEO-CYCLE jest finansowany przez Unię Europejską w ramach programu Horizon Europe. Projekt trwa cztery lata i ma przynieść między innymi uruchomienie zakładu pilotażowego. Sandra Pavón podsumowuje: „Proces zaczyna się od produktów, które osiągnęły koniec swojego cyklu życia. Na jego końcu będziemy mogli dostarczyć cenne surowce z recyklingu do czterech różnych branż.”