Hvordan en teknikk for resirkulering av permanente magneter fra sjeldne jordarter kan transformere den grønne økonomien – Physics World

Hvordan en teknikk for resirkulering av permanente magneter fra sjeldne jordarter kan transformere den grønne økonomien – Physics World

Tidsstempel: 11. mars 2024 7:00

James McKenzie ser på arbeidet til spin-off-firmaet HyProMag fra University of Birmingham, som har utviklet en teknikk for resirkulering av sjeldne jordartsmagneter

<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="Vekstutsikter Permanente magneter fra sjeldne jordarter er avgjørende for den "grønne økonomien", men med mer enn 99 % utrangert, strekker det potensielle markedet for HyProMags resirkulerte magneter seg fra vindturbiner og datamaskinharddisker til motorer i elbiler. (Med tillatelse (fra venstre): Shutterstock/pedrosala; iStock/madsci; iStock/Aranga87)” title=”Klikk for å åpne bildet i popup” href=”https://platoblockchain.com/wp-content/uploads/2024/03 /hvordan-en-teknikk-for-resirkulering-sjeldne-jord-permanente-magneter-kan-forvandle-den-grønne-økonomien-fysikk-verden.jpg”>Noen vindturbiner, en haug med harddisker som resirkuleres og motorer i elbiler
Vekstutsikter Permanente magneter fra sjeldne jordarter er avgjørende for den "grønne økonomien", men med mer enn 99 % utrangert, strekker det potensielle markedet for HyProMags resirkulerte magneter seg fra vindturbiner og datamaskinharddisker til motorer i elbiler. (Med tillatelse (fra venstre): Shutterstock/pedrosala; iStock/madsci; iStock/Aranga87)

Jeg dro nylig på et handelsoppdrag til Canada finansiert av Innovate UK, hvor jeg møtte Allan Walton – en materialforsker som var med å grunnlegge et selskap kalt HyProMag. Utskilt fra University of Birmingham i 2018, har HyProMag utviklet en teknikk for resirkulering av sjeldne jordartsmagneter, som er mye brukt i vindturbiner, elektriske kjøretøymotorer (EV) og andre deler av den "grønne økonomien".

Etter å ha blitt invitert til å besøke HyProMags prototypegjenvinningsanlegg på Birmingham-campus, så jeg at teknologien var i ferd med å bli en stor britisk suksesshistorie. Så når Fysikkens verden føl meg en pressemelding med beskjed om at selskapet skal starte kommersiell produksjon kl Tyseley energipark i Birmingham i midten av 2024 visste jeg at instinktene mine var velbegrunnet.

Sjeldne jordarters permanente magneter – som jeg beskrev i min spalte noen måneder siden – er legeringer av grunnstoffer som neodym, samarium og cerium. Med overgangen til en "ren-energi" økonomi nå i full gang, er etterspørselen etter sjeldne jordarter høy. Estimater tyder på at markedet vil vokse med så mye som en faktor på syv mellom 2021 og 2040.

Problemet er at rundt 80–90 % av verdens neodym for tiden er laget – eller kontrollert av – kinesiske selskaper. Det har fått noen nasjoner, som USA, til å gjøre det fornye sin egen produksjon av permanente magneter. Men en annen måte å sikre forsyninger av sjeldne jordarter på er å resirkulere materialer. Det er derfor den forestående oppstarten av HyProMags anlegg er så interessant, spesielt siden prosessen er så energieffektiv.

Å trekke ut elementer

Det er mange mulige metoder for å utvinne sjeldne jordartselementer fra avfallsmaterialer eller fra produkter som har nådd slutten av livet. Mesteparten av arbeidet har så langt fokusert på å få de enkelte elementene ved først å løse opp magnetene og deretter gjenvinne de sjeldne jordartene fra flytende avfallsstrømmer som kommer inn i forsyningskjeden igjen tidlig i magnetfremstillingsprosessen.

Denne tilnærmingen kalles ofte "long-loop" resirkulering ettersom alt brytes ned ved hjelp av ulike teknikker og gjenvinnes som sjeldne jordartsoksider. Disse oksidene må deretter omdannes til metaller før de støpes til legeringer og brytes ned til et fint legeringspulver for å lage magnetene. Long-loop resirkulering er en viktig, men energikrevende og kostbar prosess.

Tyseley-anlegget tar en annen tilnærming, basert som den er på University of Birminghams patenterte Hydrogenbehandling av magnetskrap (HPMS) teknikk. Den bruker hydrogen som prosessgass for å skille magneter fra avfallsstrømmer som et magnetlegeringspulver, som kan komprimeres til "sintret" sjeldne jordarters magneter. Det krever ikke varme, det er en relativt rask prosess kalt "kortsløyfe"-resirkulering.

Svimlende 259 millioner harddisker ble sendt i 2021, så markedet for resirkulerte magneter er enormt.

Da jeg så meg rundt i selskapets prototypelinje i fjor, la jeg merke til at den kan resirkulere harddiskene (HDDene) som finnes i datamaskiner. Hver disk kan ha så mye som 16 g magnetisk materiale, hvorav omtrent en fjerdedel er sjeldne jordarters elementer. Det er bare en liten brøkdel av diskens totale masse, men som du husker at jeg påpekte, svimlende 259 millioner HDD-er ble sendt i 2021, så markedet er enormt.

HyProMags produksjonsmetode innebærer at en robot med magnetfeltsensorer først identifiserer plasseringen av HDD-motoren, som inneholder den viktige sjeldne jordartens permanentmagnet. Seksjonen med motoren kuttes deretter av, mens resten av disken sendes til konvensjonell resirkulering. Motordelen eksponeres til slutt for hydrogen ved atmosfærisk trykk og romtemperatur via HPMS-teknikken.

[Innebygd innhold]

Utrolig nok brytes magnetene fra sjeldne jordarter – typisk legeringer av neodym, jern og bor (NdFeB) – fra hverandre for å danne et pulver. Jeg har sett videoer av prosessen og det er som å se noe bli til rust. Avgjørende er at pulveret blir avmagnetisert slik at eventuelle belegg på magneten løsner fra overflaten til magnetene og lett kan separeres.

Det ekstraherte NdFeB-pulveret siktes deretter for å fjerne urenheter før det reprosesseres til nye magnetiske materialer eller legeringer av sjeldne jordarter. HyProMag regner med at prosessen krever 15 % mindre energi enn det som trengs for å lage sjeldne jordartsmagneter fra primærkilder, noe som er imponerende. Den har allerede produsert mer enn 3000 nye sjeldne jordartsmagneter ved sitt pilotanlegg for prosjektpartnere og potensielle kunder, med magnetene testet i et bredt spekter av bruksområder innen bil-, romfarts- og elektronikksektoren.

Produksjonsløfter

Men selskapet ønsker å komme forbi prøvefasen og bli en volumleverandør av magneter. Det er derfor Tyseley-oppskaleringsanlegget er så viktig. Selskapet regner med at det i utgangspunktet vil være i stand til å behandle opptil 20 tonn sjeldne jordartsmagneter og legeringer i året – og til slutt fem ganger så mye. HyProMag planlegger også ytterligere anlegg i Tyskland og USA.

Teknologien er lovende fordi så mange produkter inneholder magneter fra sjeldne jordarter, men når de kasseres, blir magnetene makulert og går i stykker. Det resulterende pulveret forblir magnetisk og fester seg til jernholdig skrap og plantekomponenter, men mindre enn 1 % av magnetene blir resirkulert. HyProMag kan imidlertid effektivt fjerne dette materialet før det blir makulert og ser allerede opp en rekke økonomisk levedyktige skrapkilder.

"Det er vanskelig å se storskala resirkulering av sjeldne jordartsmagneter ta av uten en effektiv separasjonsprosess som HPMS," sier Walton. "Den nåværende pilotlinjen lar oss behandle opptil to tonn skrapapplikasjoner i en enkelt kjøring, med det kommersielle anlegget skalert for å tillate mye større batchstørrelser." Lasting til pulverfjerning kan gjøres, hevder selskapet, på så lite som fire timer.

Ettersom etterspørselen etter sjeldne jordarter øker og mengden av brukt magnetisk materiale også øker, blir resirkulering av slike magneter en stadig større mulighet og en stadig mer levedyktig prosess. Bare se på veksten i elbilsektoren: en typisk elektrisk motor har 2–5 kg magnetisk materiale og verdensomspennende salg av elbiler forventes å stige til 65 millioner per år innen 2030, ifølge markedsundersøkelsesfirmaet IHS Markit.

[Innebygd innhold]

En annen stor kilde til sjeldne jordarter er vindturbiner, hvorav mange når slutten av livet etter flere tiår med bruk. Generatorene deres inneholder opptil 650 kg sjeldne jordarter per megawatt generatorkapasitet. Gitt at Storbritannia har som mål å ha opptil 75 GW off-shore vindkapasitet innen 2050, vil det ha nesten 50,000 XNUMX tonn sjeldne jordarters magneter i årene som kommer, ifølge Martyn Cherrington fra Innovate UK, som driver sitt Sirkulær forsyningskjede for kritiske materialer (KLIMA) program.

Slike langsiktige muligheter trenger ofte statlig støtte - og resirkulering av sjeldne jordartsmagneter har ikke vært noe unntak. Faktisk begynte den grunnleggende forskningen bak HyProMags arbeid mange år før den ble skilt ut. Selskapet har også fått økonomisk støtte fra en rekke kilder, inkludert UK Research and Innovation Driver den elektriske revolusjonen programmet, EU og private investorer.

I 2023 har HyProMag Ltd ble kjøpt av det kanadiske firmaet Maginito, som er en del av Mkango ressurser – et mineralutforsknings- og utviklingsselskap notert på børsene i Storbritannia og Canada. Mkango så tydelig potensialet i HyProMags resirkulerings- og magnetproduksjonsteknologi. Det er en stor britisk suksesshistorie, som kan ha et stort, langsiktig globalt potensial for den sirkulære økonomien.

Tidstempel:

Mer fra Fysikkens verden