Wie eine Technik zum Recycling von Seltenerd-Permanentmagneten die grüne Wirtschaft verändern könnte – Physics World

<a data-fancybox data-src="https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03/how-a-technique-for-recycling-rare-earth-permanent-magnets-could-transform-the-green-economy-physics-world.jpg" data-caption="Wachstumsaussichten Seltenerd-Permanentmagnete sind für die „grüne Wirtschaft“ von entscheidender Bedeutung, aber da mehr als 99 % verschrottet werden, reicht der potenzielle Markt für die recycelten Magnete von HyProMag von Windkraftanlagen und Computerfestplatten bis hin zu Motoren in Elektroautos. (Mit freundlicher Genehmigung (von links): Shutterstock/pedrosala; iStock/madsci; iStock/Aranga87)“ title=“Klicken Sie, um das Bild im Popup zu öffnen“ href=“https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03 /how-a-technique-for-recycling-rare-earth-permanent-magnets-could-transform-the-green-economy-physics-world.jpg“>

Ich war kürzlich auf einer von Innovate UK finanzierten Handelsmission nach Kanada, wo ich mich kennengelernt habe Allan Walton – ein Materialwissenschaftler, der ein Unternehmen namens mitbegründet hat HyProMag. HyProMag wurde 2018 von der University of Birmingham gegründet und hat eine Technik zum Recycling von Seltenerdmagneten entwickelt, die in Windkraftanlagen, Motoren von Elektrofahrzeugen (EV) und anderen Teilen der „grünen Wirtschaft“ weit verbreitet sind.

Als ich eingeladen wurde, die Prototyp-Recyclinganlage von HyProMag auf dem Campus in Birmingham zu besichtigen, sah ich, dass sich die Technologie zu einer großen Erfolgsgeschichte in Großbritannien entwickelte. Also wann Physik-Welt schickte mir eine Pressemitteilung Ankündigung, dass das Unternehmen voraussichtlich mit der kommerziellen Produktion beginnen wird Tyseley Energy Park Als ich Mitte 2024 in Birmingham war, wusste ich, dass meine Instinkte begründet waren.

Seltenerd-Permanentmagnete – wie ich in meiner Kolumne beschrieben habe vor ein paar Monaten – sind Legierungen aus Elementen wie Neodym, Samarium und Cer. Da der Übergang zu einer „sauberen Energie“-Wirtschaft jetzt in vollem Gange ist, ist die Nachfrage nach Seltenen Erden hoch. Schätzungen gehen davon aus, dass der Markt zwischen 2021 und 2040 um das Siebenfache wachsen wird.

Das Problem ist, dass derzeit etwa 80–90 % des weltweiten Neodyms von chinesischen Unternehmen hergestellt oder kontrolliert werden. Das hat einige Nationen, wie zum Beispiel die USA, dazu veranlasst modernisieren die eigene Produktion von Permanentmagneten. Eine weitere Möglichkeit, die Versorgung mit Seltenen Erden sicherzustellen, ist das Recycling von Materialien. Deshalb ist die bevorstehende Inbetriebnahme der HyProMag-Anlage so interessant, insbesondere weil ihr Prozess so energieeffizient ist.

Elemente extrahieren

Es gibt viele Möglichkeiten, Seltenerdelemente aus Abfallmaterialien oder Produkten zu extrahieren, die das Ende ihrer Lebensdauer erreicht haben. Bisher konzentrierte sich der größte Teil der Arbeit darauf, die einzelnen Elemente zu gewinnen, indem zunächst die Magnete aufgelöst und dann die seltenen Erden aus flüssigen Abfallströmen zurückgewonnen werden, die zu Beginn des Magnetherstellungsprozesses wieder in die Lieferkette gelangen.

Antrieb für die grüne Wirtschaft: die Suche nach Magneten ohne seltene Erden

Dieser Ansatz wird oft als „Long-Loop“-Recycling bezeichnet, da alles mithilfe verschiedener Techniken zerlegt und als Seltenerdoxide zurückgewonnen wird. Diese Oxide müssen dann in Metalle umgewandelt werden, bevor sie in Legierungen gegossen und in ein feines Legierungspulver zerlegt werden, um die Magnete herzustellen. Das Recycling im Langkreislauf ist ein wichtiger, aber energieintensiver und teurer Prozess.

Das Werk in Tyseley verfolgt einen anderen Ansatz, der auf dem Patent der Universität Birmingham basiert Wasserstoffverarbeitung von Magnetschrott (HPMS)-Technik. Es nutzt Wasserstoff als Prozessgas, um Magnete aus Abfallströmen als Magnetlegierungspulver zu trennen, das verdichtet werden kann „gesintert“ Seltenerdmagnete. Es erfordert keine Wärme und ist ein relativ schneller Prozess, der als „Short-Loop“-Recycling bezeichnet wird.

Im Jahr 259 wurden unglaubliche 2021 Millionen Festplatten ausgeliefert, der Markt für recycelte Magnete ist also riesig.

Als ich mich letztes Jahr in der Prototypenreihe des Unternehmens umsah, fiel mir auf, dass sie die in Computern vorhandenen Festplattenlaufwerke (HDDs) recyceln kann. Jede Scheibe kann bis zu 16 g magnetisches Material enthalten, etwa ein Viertel davon sind Seltenerdelemente. Das ist nur ein kleiner Bruchteil der Gesamtmasse der Scheibe, aber wie Sie sich erinnern werden, habe ich darauf hingewiesenIm Jahr 259 wurden unglaubliche 2021 Millionen Festplatten ausgeliefert, der Markt ist also riesig.

Bei der Produktionsmethode von HyProMag identifiziert ein Roboter mit Magnetfeldsensoren zunächst die Position des Festplattenmotors, der den wichtigen Seltenerd-Permanentmagneten enthält. Anschließend wird der Abschnitt mit dem Motor abgetrennt und der Rest der Scheibe dem herkömmlichen Recycling zugeführt. Der Motorteil wird schließlich über die HPMS-Technik Wasserstoff bei Atmosphärendruck und Raumtemperatur ausgesetzt.

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Erstaunlicherweise zerfallen die Seltenerdmagnete – typischerweise Legierungen aus Neodym, Eisen und Bor (NdFeB) – einfach und bilden ein Pulver. Ich habe gesehen Videos des Prozesses und es ist, als würde man zusehen, wie etwas verrostet. Entscheidend ist, dass das Pulver entmagnetisiert wird, sodass sich etwaige Beschichtungen auf dem Magneten von der Oberfläche der Magnete ablösen und leicht abgetrennt werden können.

Das extrahierte NdFeB-Pulver wird dann gesiebt, um Verunreinigungen zu entfernen, bevor es zu neuen magnetischen Materialien oder Seltenerdlegierungen weiterverarbeitet wird. HyProMag schätzt, dass der Prozess 15 % weniger Energie erfordert als die Herstellung von Seltenerdmagneten aus Primärquellen, was beeindruckend ist. Das Unternehmen hat in seiner Pilotanlage bereits mehr als 3000 neue Seltenerdmagnete für Projektpartner und potenzielle Kunden hergestellt und die Magnete in einer Vielzahl von Anwendungen in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Elektronikbranche getestet.

Produktionsversprechen

Doch das Unternehmen will die Testphase hinter sich lassen und zum Volumenlieferanten von Magneten werden. Deshalb ist die Scale-up-Anlage in Tyseley so wichtig. Das Unternehmen geht davon aus, dass es zunächst bis zu 20 Tonnen Seltenerdmagnete und -legierungen pro Jahr verarbeiten kann – und schließlich das Fünffache dieser Menge. Darüber hinaus plant HyProMag weitere Standorte in Deutschland und den USA.

Die Technologie ist vielversprechend, weil so viele Produkte Seltenerdmagnete enthalten, aber wenn sie verschrottet werden, werden die Magnete zerfetzt und zerbrechen. Das resultierende Pulver bleibt magnetisch und haftet am Eisenschrott und den Anlagenkomponenten, aber weniger als 1 % der Magnete werden recycelt. HyProMag kann dieses Material jedoch effizient entfernen, bevor es zerkleinert wird, und sucht bereits nach einer Vielzahl wirtschaftlich sinnvoller Schrottquellen.

„Ohne einen effizienten Trennprozess wie HPMS ist es schwierig, sich ein groß angelegtes Recycling von Seltenerdmagneten vorzustellen“, sagt Walton. „Die aktuelle Pilotlinie ermöglicht es uns, bis zu zwei Tonnen Schrottanwendungen in einem einzigen Durchgang zu verarbeiten, wobei die kommerzielle Anlage so skaliert ist, dass sie viel größere Chargengrößen ermöglicht.“ Das Beladen bis zur Pulverentfernung kann nach Angaben des Unternehmens in nur vier Stunden erledigt werden.

Da die Nachfrage nach Seltenen Erden steigt und auch die Menge an gebrauchtem Magnetmaterial zunimmt, wird das Recycling solcher Magnete zu einer immer größeren Chance und einem immer praktikableren Prozess. Schauen Sie sich nur das Wachstum des EV-Sektors an: Ein typischer Elektromotor besteht aus 2–5 kg magnetischem Material und laut einem Marktforschungsunternehmen wird erwartet, dass der weltweite Absatz von Elektrofahrzeugen bis 65 auf 2030 Millionen pro Jahr steigen wird IHS Markit.

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Eine weitere große Quelle seltener Erden sind Windkraftanlagen, von denen viele nach jahrzehntelanger Nutzung das Ende ihrer Lebensdauer erreichen. Ihre Generatoren enthalten bis zu 650 kg Seltene Erden pro Megawatt Generatorleistung. Angesichts der Tatsache, dass das Vereinigte Königreich bis 75 eine Offshore-Windkraftkapazität von bis zu 2050 GW anstrebt, wird das Land in den kommenden Jahren über fast 50,000 Tonnen Seltenerdmagnete verfügen, heißt es Martyn Cherrington von Innovate UK, das es betreibt Kreislaufwirtschaft für die Lieferkette kritischer Materialien (KLIMA)-Programm.

Solche langfristigen Möglichkeiten erfordern oft staatliche Unterstützung – und das Recycling von Seltenerd-Permanentmagneten bildet da keine Ausnahme. Tatsächlich begann die Grundlagenforschung hinter der Arbeit von HyProMag viele Jahre vor der Ausgliederung des Unternehmens. Das Unternehmen profitierte auch von finanzieller Unterstützung aus verschiedenen Quellen, darunter von UK Research and Innovation Die elektrische Revolution vorantreiben Programm, der Europäischen Union und privaten Investoren.

Im Jahr 2023 wird HyProMag Ltd wurde gekauft von der kanadischen Firma Maginito, das ist ein Teil von Mkango-Ressourcen – ein Mineralexplorations- und -entwicklungsunternehmen, das an der britischen und kanadischen Börse notiert ist. Mkango erkannte deutlich das Potenzial der Recycling- und Magnetherstellungstechnologie von HyProMag. Es ist eine großartige britische Erfolgsgeschichte, die langfristig ein enormes globales Potenzial für die Kreislaufwirtschaft haben könnte.

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