从垃圾到宝藏:开采电子废物中的稀土元素

从垃圾到宝藏:开采电子废物中的稀土元素

2019年8月19日
玛西娅·冈萨雷斯(MarciaGonzález)

橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的Ramesh Bhave共同发明了一种从计算机硬盘驱动器的废磁铁和其他消费后废物中回收高纯度稀土元素的方法。

稀土元素是用于能源,运输,国防和通信应用的众多先进材料的“秘密调味料”。 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,永磁体也能保持磁性。

现在,美国能源部的研究人员已经发明了一种从废旧硬盘和其他来源的废磁铁中提取稀土元素的方法。 他们已在实验室演示中为该工艺申请了专利并扩大了规模,并与ORNL的被许可人达拉斯的Momentum Technologies合作,进一步扩大了该工艺的规模,以生产商业批量的稀土氧化物。

美国能源部橡树岭国家实验室的共同发明人Ramesh Bhave说:“我们已经开发出一种节能,经济,环保的工艺来回收高价值的关键材料。”该实验室的负责人,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,传统工艺需要占地面积大,投资和运营成本高以及产生大量废物的设施。”

这是对传统工艺的改进,传统工艺需要占地面积大,投资和运营成本高以及产生大量废物的设施

永磁体帮助计算机硬盘驱动器读取和写入数据,驱动使混合动力汽车和电动汽车行驶的电动机,将风力涡轮机与发电机耦合以发电,并帮助智能手机将电信号转换为声音。

通过获得专利的工艺,磁体溶解在硝酸中,溶液连续地通过支撑聚合物膜的模块进料。 膜包含多孔的中空纤维和萃取剂,该萃取剂可以用作化学上的“交通警察”。 它创建了选择性屏障,仅让稀土元素通过。 在另一侧收集的富含稀土的溶液将被进一步处理,以产生纯度超过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,这是非常了不起的。 巴哈夫说:“我们基本上能够完全消除铁,只回收稀土。” 提取所需元素而无需共提取不需要的元素,意味着产生的废物更少,需要下游处理和处置。

这项工作的支持者包括美国能源部的关键材料研究所(CMI)(用于分离研究)和美国能源部的技术过渡办公室(OTT)(用于工艺放大)。 ORNL是CMI的创始团队成员,CMI是一个由DOE的Ames实验室领导,由高级制造办公室管理的DOE能源创新中心。 Bhave利用选择性膜对酸性溶液进行“开采”,与其他有前途的CMI技术结合使用来回收稀土,包括粉碎和处理磁铁的简单工艺以及无酸替代品。

工业取决于关键材料,科学界正在开发回收这些材料的过程。 但是,没有商业化的方法可以从电子垃圾磁铁中回收纯稀土元素。 根据Gartner的数据,考虑到预计在2019年向全球发售22亿台个人计算机,平板电脑和手机,这是一个巨大的错失机会。 “所有这些设备中都装有稀土磁体,” Bhave指出。

没有商业化的过程可以从电子垃圾磁铁中回收纯稀土元素。 考虑到预计2019年全球将有22亿台个人计算机,平板电脑和手机出货,这是一个巨大的错失机会

Bhave的项目始于2013年,是团队合作的成果。 能源部爱达荷州国家实验室的约翰·克莱恩(John Klaehn)和埃里克·彼得森(Eric Peterson)在研究的早期阶段进行了合作,而普渡大学的教授阿南斯·艾耶尔(Ananth Iyer)随后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放大。 Bhave目前的ORNL团队由Dale Adcock,Pranathi Gangavarapu,Syed Islam,Larry Powell和Priyesh Wagh组成,致力于扩大流程并与将技术商业化的行业合作伙伴合作。

为确保稀土能从各种原料中回收,研究人员对各种成分的磁铁进行了加工,包括来自硬盘驱动器,磁共振成像机,手机和混合动力汽车的各种来源。

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。 Bhave说:“ ORNL在镧系化学方面的丰富专业知识为我们提供了一个巨大的起点。” “我们开始研究镧系元素的化学以及选择性提取镧系元素的方法。”

两年多来,研究人员量身定制了膜化学方法,以优化稀土的回收率。 现在,他们的工艺回收了97%以上的稀土元素。

迄今为止,Bhave的回收项目已获得专利和两个出版物,记录了作为氧化物混合物的三种稀土元素(钕,ase和and)的回收。

分离的第二阶段于2018年7月开始,旨在将与钕和ase分离。 三种氧化物的混合物售价为每公斤50美元。 如果可以从混合物中分离出来,其氧化物的售价可以提高五倍。

该计划的第二阶段还将探讨是否可以开发ORNL分离稀土的基本方法,以从锂离子电池中分离其他需求元素。 Bhave说:“电动汽车的预期高增长将需要大量的锂和钴。”

由DOE的OTT技术商业化基金资助的为期两年的工业努力需要将ORNL流程部署到市场中,该工作于2019年2月开始。

目标是每月回收数百公斤的稀土氧化物,并进行验证,核实和认证,制造商可以使用回收的材料制造与原始材料制成的磁体相当的磁体。

电子废物世界会议暨展览会将于11月14日(星期四)至11月15日(星期五)在德国法兰克福展览中心的Kap Europa举行。 要注册此高度集中的,由解决方案驱动的活动,请单击此处 有关赞助和展览的机会,请发送电子邮件至peter@trans-globalevents.com

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