2019-08-19 04:48:01
电子废物用于稀土元素

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稀土元素是众多用于能源,运输,国防和通信应用的先进材料的“秘密酱”。它们用于清洁能源的最大用途是永磁体,即使在没有感应场或电流的情况下也能保持磁性。

现在,美国能源部的研究人员发明了一种从废旧磁盘和其他来源的报废磁铁中提取稀土元素的工艺。他们在实验室演示中获得了专利并扩大了该过程,并与ORNL的达拉斯Momentum Technologies公司合作,进一步扩大生产商业批次的稀土氧化物。

“我们开发了一种节能,经济,环保的工艺来回收高价值的关键材料,”美国能源部橡树岭国家实验室的联合发明人Ramesh Bhave说道,他是ORNL化学科学部膜技术团队的负责人。 “这是对传统工艺的改进,传统工艺要求设施占地面积大,资金和运营成本高,并产生大量废物。”

永磁体可帮助计算机硬盘读取和写入数据,驱动移动混合动力和电动汽车的电机,将风力涡轮机与发电机连接以发电,并帮助智能手机将电信号转换为声音。

通过专利工艺,磁铁溶解在硝酸中,溶液通过支撑聚合物膜的模块连续进料。该膜含有多孔中空纤维和一种萃取剂,可作为各种化学“交通警察”;它创造了一个选择性屏障,只让稀土元素通过。在另一侧收集的富含稀土的溶液进一步加工,得到纯度超过99.5%的稀土氧化物。

考虑到通常,70%的永磁体是铁,这不是稀土元素,这是非常值得注意的。 “我们基本上能够完全消除铁,只能回收稀土,”Bhave说。提取所需元素而不共同提取不需要的元素意味着产生更少的废物,这将需要下游处理和处置。

这项工作的支持者包括DOE的关键材料研究所(CMI),用于分离研究和DOE的技术转换办公室(OTT),用于扩大工艺规模。 ORNL是CMI的创始团队成员,CMI是DOE能源创新中心,由DOE的Ames实验室领导,由先进制造办公室管理。 Bhave用选择性膜“开采”酸性溶液加入了其他有前景的CMI技术,用于回收稀土,包括一种简单的压碎和处理磁体的工艺和无酸替代品。

工业依赖于关键材料,科学界正在开发回收它们的工艺。然而,没有商业化的工艺从电子废磁铁中回收纯稀土元素。根据Gartner的数据,考虑到预计将在2019年向全球发售22亿台个人电脑,平板电脑和手机,这是一个巨大的错失机会。 “所有这些装置都含有稀土磁铁,”Bhave指出。

Bhave的项目始于2013年,是一项团队合作。美国能源部爱达荷国家实验室的John Klaehn和Eric Peterson在化学研究的早期阶段进行了合作,普渡大学的教授Ananth Iyer后来评估了扩大规模的技术和经济可行性。在ORNL,前博士后研究员Daejin Kim和Vishwanath Deshmane分别研究了分离过程的开发和扩大。 Bhave目前的ORNL团队由Dale Adcock,Pranathi Gangavarapu,Syed Islam,Larry Powell和Priyesh Wagh组成,他们专注于扩大流程并与将技术商业化的行业合作伙伴合作。

为了确保稀土可以在各种原料中回收,研究人员对来自不同成分的磁体 - 包括硬盘驱动器,磁共振成像机,手机和混合动力汽车等 - 进行处理。

大多数稀土元素是镧系元素,元素周期表中原子序数在57和71之间。 “ORNL在镧系元素化学方面的巨大专业知识为我们提供了巨大的起步,”Bhave说。 “我们开始研究镧系元素的化学反应以及选择性萃取镧系元素的方法。”

两年多来,研究人员定制了膜化学,以优化稀土的回收。现在,他们的工艺恢复了97%以上的稀土元素。

到目前为止,Bhave的回收项目已经获得了一项专利和两份出版物(此处和此处),记录了三种稀土元素 - 钕,镨和镝 - 作为氧化物混合物的回收。

第二阶段的分离始于2018年7月,目的是将镝与钕和镨分开。三种氧化物的混合物售价为每公斤50美元。如果镝可以从混合物中分离出来,那么它的氧化物可以卖五倍。

该计划的第二阶段还将探讨是否可以开发ORNL分离稀土的基本工艺,以便将其他需求元素与锂离子电池分离。 “预计电动汽车的高增长将需要大量的锂和钴,”Bhave说。

由DOE的OTT技术商业化基金资助两年以来,将ORNL流程部署到市场所需的工业努力始于2019年2月。

目标是每个月回收数百公斤稀土氧化物,并验证,验证和证明制造商可以使用回收材料制造与原始材料相当的磁铁。

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