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稀土回收再利用!英国推出稀土金属回收试点项目

英国伯明翰大学2019年8月在其官方网站上宣布,作为欧盟资助的地平线2020计划中的重点项目——“循环经济环境下的稀土磁性材料可持续回收、再加工和再利用”(SUSMAGPRO)的一部分,伯明翰大学作为重要参研单位,于近期获得了超过400万欧元的经费支持,用于建立从废料中回收稀土金属的试点设施。

“循环经济环境下的稀土磁性材料可持续回收、再加工和再利用”

(英国伯明翰大学图片)

一、项目背景:源自欧盟“地平线2020”计划

无论是欧盟的“第七个框架”(FP7)协议、“洁净天空2”计划亦或是“地平线2020”计划,循环经济、环保、可持续发展等字眼,都频繁地被提及,与这些字眼相关的项目也是多年以来欧盟经费资助的重点领域。

在地平线2020计划指南的H2020-EU.3.5.3中,明确了该计划需要确保非能源和非农业原材料的可持续供应,其目的是全面了解欧洲原材料的基础现状,并希望通过具有较低环境影响、更具经济效益替代方式,如闭环工艺或系统等,建立经济有效、资源节约和环境友好的勘探、开采、加工、使用和再利用、原材料的回收以及利用回收产品替代原材料开发的创新解决方案。指南中还规定,据此条款开展的项目应侧重于提升原材料供应的基础现状;促进陆地和海洋的原材料(包括矿产资源)的可持续和有效供应、使用和再利用;寻找关键原材料的替代品;提升针对原材料使用和储备的社会意识和和关键技术。

根据指南的要求,欧盟委员会于2018年论证并启动了“循环经济环境下的原材料创新:可持续加工,再利用,再循环和回收”行动倡议(CE-SC5-07-2018-2019-2020),并明确了与该行动相关的具体要求:行动应开发和验证创新的试点设施,以便完成欧盟清洁和可持续非能源非农业原材料的可持续生产,并将技术成熟度(TRL)提升至6-7级。

在这份倡议规定的主题框架下,申请的项目应至少涉及以下四个子主题之一:

——主要/辅助原材料的可持续加工及精炼(2018年,2019年);

——从报废产品中回收原材料(2018年,2019年);

——回收建筑物中的原材料(2018年,2019年);

——用于复杂报废产品的高性能回收的先进分拣系统(2018年,2019年)。

SUSMAGPRO项目的预算目前已经突破1400万欧元(欧盟官网图片)

SUSMAGPRO项目——循环经济环境下的稀土磁性材料可持续回收、再加工和再利用,就在这样的背景下诞生。欧盟官方通过“地平线2020”研究和创新等计划向SUSMAGPRO项目授予了近1300万欧元的资金,其他国家和地区也贡献了部分项目资金,项目总预算目前已经突破1400万欧元。该项目将由来自9个欧盟国家的19个联合承研单位和1个外部合作伙伴组成的工业联盟共同完成。其中,466.66万欧元分配给英国伯明翰大学,用来建立稀土磁性材料回收试点试验设施。

二、最终目标:在欧洲建立完整的稀土磁性材料回收供应链

伯明翰大学建立的稀土磁性材料回收设施将专注于回收由钕、硼和铁制成的磁性材料。这些金属元素大量存在于计算机硬盘驱动器、家用电器、电动汽车和风力涡轮发电机中,并且这些元素在欧盟各国向绿色低碳经济转型的过程中显得越来越重要。

在过去的30年时间里,上述稀土金属元素的使用呈指数级增长,预计到2030年,这几类金属的需求量将增长达数万吨。亚洲地区生产世界上大约80%的稀土金属,但到目前为止,只有不到1%的稀土金属实现了回收——这意味着,SUSMAGPRO项目提供了很好的实现循环经济和可持续发展目标的机会。此外,由于贸易战等因素的影响,近年来稀土金属的价格出现了大幅波动,回收相关磁性材料将有助于保护欧洲制造业基础供应链。

该项目计划在欧洲建立一条20吨级别的稀土磁性材料回收供应链

(英国伯明翰大学图片)

该项目计划资助完成一条完整的欧洲稀土磁性金属材料回收供应链的开发,该供应链将完成每年20吨原本将进入垃圾填埋场磁性材料的回收再生。瑞典的机器人分拣线将从废料中找到并浓缩稀土磁性材料,英国、德国和瑞典的生产设施将从分类的废料中提取金属合金粉末,这些合金将用于在英国、德国、丹麦和斯洛文尼亚的工厂中生产再生磁性材料。这些工厂预计将处理来自小型家电、大型工业器械、风电涡轮机等不同来源的废料。

三、关键技术:创新的稀土金属元素提取工艺

决定这条供应链能否取得成功的关键因素是伯明翰大学研究人员开发出的一种创新技术——磁性材料废料的氢处理系统(HPMS)。

过去,提取稀土金属元素的传统方法需要拆卸和去除磁性材料。然而,在新的工艺过程中,研究人员利用氢气将磁性金属合金分解成粉末,该粉末易于与其余组分分离,从而节约大量的时间、劳力和成本。这种方法还可以实现在回收单一金属元素的同时,处理多个其他组分。这项具有专利的工艺使用的核心技术是“氢爆”(hydrogen decrepitation),它是由雷克斯·哈里斯教授在伯明翰大学开发的一种创新工艺,是一种经济有效的从废料或破损的结构中精炼提取稀土磁性材料的方法。其具体的原理是:将氢气首先灌入稀土金属中,导致体积膨胀;当结构不能应对如此大的体积膨胀时即发生结构爆裂,细小颗粒从材料中脱离,形成均质的金属粉末,氢气和惰性气体在低压条件下形成的安全混合物会在几小时内使磁性材料发生爆裂;最后再通过筛分除去非磁性合金组分,这些合金粉末可通过回收再加工的方式重新回到再生磁性材料中。

从拆卸的硬盘中可以看到含有NdFeB磁性材料的主轴电机和的音圈马达

(英国伯明翰大学图片)

该工艺的联合发明者之一、伯明翰大学冶金与材料学院教授阿兰·沃顿表示,稀土磁性材料几乎可用于所有利用电力产生动力的应用中:例如我们常见的电脑硬盘、电路基板、关键电子元器件等,它在全球范围内支撑了价值超过1万亿英镑的产业发展。此外,稀土资源作为一种重要战略储备材料,在航空航天和国防工业中均扮演举足轻重的角色。不过,近年来稀土金属的价格和供应链都出现了大幅波动。这意味着一些成本效益高的技术相当有发展前景,而回收再利用也将是解决供应链问题长期可行的方式。

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