Les éléments de terres rares sont « la sauce secrète » de nombreux matériaux avancés pour des applications d'énergétique, de transport, de défense et de communications. Leur plus grande utilisation pour l'énergie propre est dans des aimants permanents, qui maintiennent les propriétés magnétiques même faute de champ induisant ou actuel.
Ramesh Bhave de Ridge National Laboratory de chêne Co-a inventé un processus pour récupérer les éléments de terres rares de grande pureté des aimants ferraillés des unités de disque dur d'ordinateur (montrées ici) et d'autres déchets de courrier-consommateur. Crédit : Carlos Jones /Oak Ridge National Laboratory, service des États-Unis de l'énergie
Maintenant, les chercheurs de Département de l'énergie des États-Unis ont inventé un processus pour extraire des éléments de terres rares à partir des aimants ferraillés des unités de disque dur utilisées et d'autres sources. Ils ont breveté et mesuré le processus dans des démonstrations de laboratoire et travaillent avec les technologies d'élan du titulaire d'une licence d'ORNL de Dallas pour mesurer le processus plus loin pour produire des séries commerciales d'oxydes de terre rare.
« Nous avons développé un de rendement optimum, rentable, processus favorable à l'environnement pour récupérer les matériaux critiques de haute valeur, » a dit le coinventeur Ramesh Bhave du chêne Ridge National Laboratory de la DAINE, qui mène l'équipe de technologies de membrane dans la Division des affaires scientifiques chimique d'ORNL. « C'est une amélioration au-dessus des procédés classiques, qui exigent des équipements avec une grande empreinte de pas, des frais d'exploitation élevés de capital et et un grand nombre de déchets produits. »
Les aimants permanents aident les unités de disque dur d'ordinateur à indiquer et écrire des données, conduisez les moteurs qui se déplacent les voitures hybrides et électriques, les turbines de vent de couples avec des générateurs pour faire l'électricité, et les smartphones d'aide pour traduire les signaux électriques en bruit.
Par le processus breveté, des aimants sont dissous en acide nitrique, et la solution est sans interruption alimentée par les membranes de soutien d'un polymère de module. Les membranes contiennent les fibres creuses poreuses avec un extractant qui sert de « cannette de fil de trafic » chimique des sortes ; il crée une barrière sélective et laisse de seuls éléments de terres rares passer. La solution riche en rare rassemblée de l'autre côté est encore traitée pour rapporter des oxydes de terre rare aux puretés dépassant 99,5%.
Les aimants de matière de base pour le projet sont venus dans le monde entier des sources diverses. Tim McIntyre d'ORNL, qui mène un projet CMI développant la technologie robotique pour extraire des aimants à partir des unités de disque dur, si certains. Métaux de Wistron et d'Okon, chacun des deux Texas, et matériaux spéciaux de Grishma, de l'Inde, si d'autres. Les plus grands aimants sont venus des machines d'IRM, qui utilisent 110 livres (50 kilogrammes) d'aimants de néodyme-fer-bore. Crédit : Carlos Jones /Oak Ridge National Laboratory, service des États-Unis de l'énergie
C'est remarquable considérant cela typiquement, 70% d'un aimant permanent est un fer, qui n'est pas un élément de terres rares. « Nous pouvons essentiellement éliminer le fer complètement et récupérer seulement les terres rares, » Bhave a dit. L'extraction des éléments souhaitables sans indésirables le Co-extraction signifie qu'on crée moins de déchets qui auront besoin de traitement et de disposition en aval.
Les défenseurs du travail incluent l'institut des matériaux critiques de la DAINE, ou CMI, pour la recherche de séparations et le bureau de la DAINE des transitions de technologie, ou d'OTT, pour l'échelle- de processus. ORNL est un membre de l'équipe de fondation de CMI, un hub d'innovation d'énergie de DAINE mené par Ames Laboratory de la DAINE et contrôlé par le bureau de fabrication avancé. Bhave « extrayant » d'une solution acide avec les membranes sélectives joint d'autres technologies CMI prometteuses pour récupérer les terres rares, y compris un processus simple qui écrase et traite des aimants et une alternative sans acide.
L'industrie dépend des matériaux critiques, et la communauté scientifique développe des processus pour les réutiliser. Cependant, aucun processus commercialisé ne réutilise les éléments de terres rares purs des aimants d'électronique-déchets. C'est une occasion manquée énorme considérant 2,2 milliards de PCs, comprimés et on s'attend à ce que des téléphones portables se transportent dans le monde entier en 2019, selon Gartner. « Tous ces dispositifs ont des aimants de terre rare dans eux, » Bhave ont noté.
Le projet de Bhave, qui a commencé en 2013, est un effort d'équipe. John Klaehn et Eric Peterson du laboratoire national de l'Idaho de la DAINE ont collaboré à une phase tôt de la recherche concentrée sur la chimie, et Ananth Iyer, un professeur à l'Université de Purdue, plus tard a évalué les possibilités techniques et économiques de l'échelle-. À ORNL, les anciens boursiers post-doctoraux Daejin Kim et le Vishwanath Deshmane ont étudié le développement de processus et l'échelle- de séparations, respectivement. Équipe actuelle de l'ORNL de Bhave, comportant Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell et Priyesh Wagh, foyers sur la graduation vers le haut du processus et travaillant avec les associés d'industrie qui commercialiseront la technologie.
Pour assurer les terres rares a pu être récupéré à travers une gamme étendue de matières de base, chercheurs a soumis des aimants de varier composition-de sources comprenant les unités de disque dur, les machines de résonance magnétique de représentation, les téléphones portables et l'hybride voiture-au processus.
La plupart des éléments de terres rares sont les lanthanides, éléments avec des nombres atomiques entre 57 et 71 dans la table périodique. « L'expertise énorme d'ORNL en chimie de lanthanide nous a donné un début énorme de saut, » Bhave a dit. « Nous avons commencé à regarder les chimies et les manières de lanthanide par lesquelles des lanthanides sont sélectivement extraits. »
Sur deux ans, les chercheurs ont travaillé la chimie de membrane pour optimiser la récupération des terres rares. Maintenant, leur processus récupère plus de 97% des éléments de terres rares.
Le projet de réutilisation de Bhave a eu jusqu'à présent comme conséquence un brevet et deux publications (ici et ici) documentant la récupération du l'élément-néodyme de la terre trois rare, praséodyme et dysprosium-comme un mélange des oxydes.
La deuxième phase des séparations a commencé en juillet 2018 par un effort de séparer le dysprosium du néodyme et du praséodyme. Un mélange des trois ventes d'oxydes pour $50 par kilogramme. Si le dysprosium pourrait être séparé du mélange, son oxyde pourrait être vendu pendant cinq fois autant.
Phase du programme la deuxième l'explorera également si le procédé sous-jacent d'ORNL pour séparer les terres rares peut être développé pour séparer d'autres éléments de dans-exigence des batteries d'ion de lithium. « La forte croissance prévue des véhicules électriques va exiger énormément de lithium et cobalt, » Bhave a dit.
Les efforts industriels requis pour déployer le processus d'ORNL dans le marché, financé sur deux ans par les fonds de commercialisation de technologie de l'OTT de la DAINE, ont commencé en février 2019.
Le but est de récupérer des centaines de kilogrammes d'oxydes de terre rare chaque mois et valider, vérifier et certifier que les fabricants pourraient employer les matériaux réutilisés pour faire des aimants équivalents à ceux ont fait avec les matériaux vierges.
Le bureau de fabrication avancé de la DAINE, la partie du bureau du rendement énergétique et l'énergie renouvelable, financé cette recherche par le CMI, qui a été établie pour diversifier l'approvisionnement, pour développer des substituts, pour améliorer la réutilisation et la réutilisation et pour conduire la recherche crosscutting des matériaux critiques. ORNL a fourni la direction stratégique pour ces secteurs depuis que CMI a commencé en 2013. Ceci inclut fournir des chefs pour des secteurs de foyer et des projets que cela a menés à de nouvelles innovations dans la réutilisation d'alliages et d'aimant d'aluminium-cérium.
Source : ORNL
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