سنجش جاذبه های بازیافت آهنرباهای خاکی کمیاب

11 ژوئیه 2023  – نوشته ایان ماندل-نئودیمیم، یک عنصر شیمیایی مغناطیسی که به عنوان یک فلز خاکی کمیاب در نظر گرفته می شود. عکس: BigStock

بازیابی مواد خام حیاتی از آهنرباهای خاکی کمیاب نسبتاً ساده است، اما تعدادی از مسائل دیگر باید قبل از ظهور یک سیستم بازیافت مفید در اروپا حل شود.

قانون مواد خام حیاتی که در حال حاضر راه خود را از طریق فرآیند قانونی اتحادیه اروپا طی کرده است، به برخی از موانع می پردازد، اما برخی دیگر باید قبل از اینکه همه قطعات در جای خود قرار گیرند، برطرف شوند.

بیشتر آهنرباهای دائمی، به ویژه آنهایی که بالاترین عملکرد را دارند، حاوی مواد خامی هستند که در اروپا کمیاب هستند. با افزایش استفاده از این آهن‌رباها، به‌ویژه در فناوری‌های سبز مانند توربین‌های بادی و وسایل نقلیه الکتریکی، اروپا مایل است وابستگی خود به واردات را که بخش عمده‌ای از آن از چین وارد می‌شود، قطع کند.

برای اینکه بازیافت تاثیر بگذارد، فقط تکنولوژی بازیافت نیست که نیاز به توجه دارد، بلکه کل زنجیره ارزش آهنرباهای خاکی کمیاب را می طلبد. که از پردازش مواد بازیافتی تا ساخت آهنربا امتداد دارد. سپس باید کاربران نهایی وجود داشته باشند که مایل به خرید آهنربا از یک تولید کننده اروپایی به جای چین باشند.

آنا ماریا مارتینز، دانشمند تحقیقاتی ارشد در سازمان تحقیقات مستقل SINTEF در نروژ، گفت: «در اروپا آهنرباهای زیادی وجود دارد که توسط فروشندگان قراضه جمع‌آوری شده و برای بازیافت به چین فرستاده می‌شوند. اگر می‌خواهیم این مواد را در اروپا حفظ کنیم، کل زنجیره ارزش باید با هم صحبت کنند.»

مارتینز مدیر پروژه REE4EU بود، پروژه Horizon 2020 که برای اولین بار در اروپا یک فرآیند بازیافت آهنربای دائمی حلقه بسته را نشان داد. در پایان در سال 2019، این پروژه با موفقیت چندین تن ضایعات فرآیندی و محصولات پایان عمر حاوی عناصر خاکی کمیاب را تصفیه کرد که منجر به بازیابی تقریباً 100 کیلوگرم آلیاژ خاکی کمیاب شد. سپس از این آلیاژ برای ساخت آهنرباهای دائمی جدید برای استفاده در محصولات استفاده شد.

مارتینز گفت :در حالی که فناوری بازیافت کار می کرد، عرضه آن به بازار چالش های بیشتری را به همراه داشت. «بازیافت‌کنندگانی که با پرونده تجاری خود به آنها مراجعه کردیم می‌خواستند بدانند: آیا می‌توانم هر سال 1000 تن آهن‌ربای مصرف‌شده به کارخانه‌ام بیاورم؟ و ما پاسخ آن را نمی دانستیم.

آهنرباهای خاکی کمیاب را می توان در طیف وسیعی از محصولات، از دستگاه های تصویربرداری پزشکی و روبات های صنعتی گرفته تا محصولات مصرفی مانند ماشین ظرفشویی و مایکروویو، یافت. اولین مشکل این است که بدانید کدام یک از آنها حاوی آهنرباهای خاکی کمیاب هستند. مارتینز گفت: «در بیشتر موارد، تا زمانی که محصول را باز نکنید، سرنخی ندارید.

مشکل بعدی خارج کردن آهنرباها از محصولاتی است که عمرشان پایان یافته است، که بیشتر آنها برای جدا کردن طراحی نشده اند. انجام این کار به لحاظ اقتصادی و با احترام به محیط زیست و ایمنی کارگران، نیازمند اتوماسیون است. مارتینز گفت: «ما در اروپا نمی‌توانیم آهن‌رباها را با دست از محصولات مختلف پایان عمر استخراج کنیم.

استخراج آهنربا

این مسائل در یک پروژه پیگیری به نام REEPRODUCE که در ماه مه 2022 با بودجه Horizon Europe آغاز شد، بررسی می شود. مارتینز گفت: «اکنون می‌خواهیم نشان دهیم که می‌توانیم آن آهن‌رباها را از محصولات فرسوده به روشی خودکار استخراج کنیم، و فرآیند شیمیایی توسعه‌یافته در REE4EU می‌تواند ترکیبات شیمیایی مغناطیسی مختلف را از منابع مختلف در خود جای دهد.»

اولین آزمایش آغاز شده است و یک فناوری مرتب‌سازی را آزمایش می‌کند که از بینایی کامپیوتری و هوش مصنوعی برای شناسایی و انتخاب محصولاتی که احتمالاً حاوی آهنرباهای خاکی کمیاب هستند از زباله‌های تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی مخلوط استفاده می‌کند.

مراحل بعدی شامل ساخت ربات هایی است که می توانند جزء حاوی آهنربا را از هر آیتم استخراج کنند و سپس خود آهنربا را از قطعه استخراج کنند. مارتینز گفت: «سپس تمام این آهن‌رباها به یک کارخانه بازیافت می‌روند، کارخانه‌ای که به اندازه کافی قوی است تا ترکیبات و پوشش‌های مختلف آهنربا را در خود جای دهد.»

کنسرسیوم REEPRODUCE شامل 15 شریک است که عمدتاً از صنعت هستند که کل زنجیره ارزش را نمایندگی می کنند و نحوه تجاری سازی نتایج به آنها بستگی دارد. مارتینز گفت: “در پایان، ما برخی از موارد تجاری را برای ذینفعان خارجی ارائه خواهیم کرد، اما این به صاحبان فناوری بستگی دارد که تصمیم بگیرند چگونه ادامه دهند.”

بازیافت استارت آپ ها

یکی از معدود استارت‌آپ‌های اروپایی در زمینه بازیافت آهن‌ربای خاکی کمیاب، HyProMag است که در سال 2018 برای تجاری‌سازی روش پردازش مبتنی بر هیدروژن برای قراضه‌های مغناطیسی، که توسط دانشکده متالورژی و مواد دانشگاه بیرمنگام توسعه داده شد، تأسیس شد.

این فرآیند آهنرباهای نئودیمیم-آهن-بور (Nd-Fe-B) را به پودری سست، مغناطیسی زدایی شده و هیدروژنه تبدیل می کند. پوشش ها، چسب ها، پیچ ها و باقی مانده های دیگر را می توان به صورت مکانیکی از پودر جدا کرد و آن را برای استفاده فوری در ساخت آهنربا مناسب می کند.

HyProMag با اجرای یک کارخانه آزمایشی در دانشگاه، اولین مرکز کامل خود را برای بازسازی آهنرباهای خاکی کمیاب راه‌اندازی می‌کند و تولید آن تا پایان سال جاری آغاز می‌شود. انتظار می رود کارخانه دوم در Pforzheim نزدیک اشتوتگارت توسط یک شرکت خواهر آلمانی راه اندازی شود و انتظار می رود در پایان سال 2024  شروع به تولید شود.

انتظار می رود ظرفیت تولید این کارخانه ها 100 تن پودر، آلیاژ و آهنربا NdFeB بازیافتی در سال باشد. کارلو بورکهارت، یکی از بنیانگذاران HyProMag در آلمان و مدیر علمی مؤسسه فلزات گرانبها و فناوری گفت: «این مقدار در مقایسه با 230000 تن تولید شده در سال گذشته در چین بسیار ناچیز است، اما این یک شروع است، و تمام فناوری ما کاملاً مقیاس پذیر است. در دانشگاه Pforzheim این شرکت قصد دارد هم پودر و آلیاژها را به بازار عرضه کند و هم خود آهنربا بسازد.

علاوه بر فرآیند بازیافت آهنربا، HyProMag تلاش زیادی را برای توسعه سیستم‌هایی برای تجزیه و تحلیل و مرتب‌سازی جریان‌های زباله، و به طور خودکار از بین بردن تجهیزات الکترونیکی پایان عمر انجام داده است.

بورکهارت می‌گوید: «ما ایده‌های کاملاً هوشمندانه‌ای برای دسته‌بندی آهن‌رباهای فریت از آهن‌رباهای Nd-Fe-B، برای خارج کردن آهن‌ربا از درایوهای دیسک سخت، و جدا کردن موتورهای کششی تا جایی که مواد برای پردازش هیدروژن مناسب هستند، پیدا کرده‌ایم.

در حال حاضر بخشی از امکانات HyProMag است، این سیستم‌های مرتب‌سازی و برچیدن می‌توانند بیشتر در جریان زباله قرار گیرند، به عنوان مثال در سایت‌های بازیافت یا با تولیدکنندگانی که طرح‌های بازخرید را اجرا می‌کنند.

Burkhardt شاهد علاقه فزاینده ای به آهنرباهای بخش بازیافت بوده است. چند سال پیش، آهنرباها فقط یک مزاحمت بودند. آنها در خرد کردن مشکل ایجاد می کنند، تجمع می یابند و سایر جریان های مواد را آلوده می کنند. بنابراین، جداسازی تنها در مورد بازیابی آهنرباها نیست، بلکه می تواند ارزش سایر مواد بازیافتی را افزایش دهد.

سایر موانع توسعه این بخش در اروپا شامل بوروکراسی و صدور مجوز است که برخی از آنها باید توسط قانون مواد خام حیاتی برطرف شود. اما یارانه ها دردسر بزرگی هستند، زیرا شرکت های چین و ایالات متحده از حمایت قابل توجهی از سوی دولت برخوردار هستند. بورکهارت گفت: «با توجه به اهمیت استراتژیک برای رشد اروپا و گذار سبز، ما باید در اروپا شرایطی مشابه با رقبای خود داشته باشیم.

تصویر آهنرباهای خاکی کمیاب بازیافتی نیز نیاز به بهبود دارد، اگرچه حرکت هایی در این جبهه وجود دارد. بورکهارت گفت: «کاربران نهایی اکنون متوجه شده‌اند که ما می‌توانیم آهن‌رباهایی را بازیافت و تولید کنیم که مانند قبل یا حتی بهتر است».

یکی از بزرگترین موانع در اروپا فقدان نیروی کار ماهر است که تنها پوشش محدودی از آهنربا در آموزش عالی دارد. «هیچکس Nd-Fe-B را به عنوان موضوع مطالعاتی، به عنوان مثال، نحوه ساخت و کاربردهای آنها ندارد، در حالی که در چین هر سال 2500 مهندس [متخصص در آهنربا] فارغ التحصیل می شوند. برای توسعه این بازار، باید این کارشناسان را توسعه دهیم.»

این چیزی است که Burkhardt به عنوان هماهنگ کننده REEsilience، پروژه Horizon Europe که با هدف ایجاد یک زنجیره تامین انعطاف پذیرتر و پایدارتر برای مواد و محصولات مغناطیسی خاکی کمیاب در اروپا کار می کند، روی آن کار می کند. او گفت: «یکی از وظایف ما ایجاد یک برنامه درسی برای کارشناسان آهنربا است که نه تنها به جنبه‌های تولید نگاه می‌کند، بلکه چارچوب گسترده‌تر استفاده و بازیافت آهنربا را نیز بررسی می‌کند.

ارزیابی اختصاصی

در حال حاضر، اگر بخواهند با آهنرباهای خاکی کمیاب که ارزان در چین تولید می شوند، رقابت کنند، این روش ها با یک چالش اقتصادی روبرو هستند. اینجاست که قانون مواد خام حیاتی اثر تعیین کننده ای خواهد داشت. کمیسیون پیشنهاد کرد که حداقل 15 درصد از مصرف سالانه اتحادیه اروپا از تمام مواد خام استراتژیک باید از بازیافت تامین شود، سطحی که توسط شورای وزیران به 20 درصد افزایش یافته است. پس از ارزیابی اختصاصی سطح مناسب و اثرات احتمالی، حداقل محتوای بازیافتی برای آهنرباهای خاکی کمیاب نیز تعیین خواهد شد.

این قانون همچنین الزامات دقیق برچسب‌گذاری محصول، از جمله اطلاعات در مورد مقدار، نوع و ترکیب شیمیایی آهنرباهای نصب شده، محل و پوشش، چسب‌ها و افزودنی‌های مورد استفاده و نحوه حذف آنها از محصول را معرفی می‌کند.

مارتینز گفت: «اگر ما واقعاً می‌خواهیم یک زنجیره ارزش خاکی کمیاب در اروپا از منابع ثانویه داشته باشیم، چارچوب نظارتی باید برای تسهیل آن وجود داشته باشد. شاید بازیافت آن گران‌تر از خرید آهن‌ربا از چین باشد، اما اگر طبق قانون الزامی باشد، همه ما در یک زمین بازی هستیم و می‌توانیم این کار را انجام دهیم.»

با این وجود، بورخارت فکر می‌کند که هزینه‌های ورودی برای بسیاری از استارت‌آپ‌های بازیافت آهنربای کمیاب در اروپا بسیار بالاست. او گفت: “حدود 100 میلیون دلار بودجه برای توسعه فناوری HyProMag به سطحی که از نظر صنعتی امکان پذیر باشد مورد نیاز است.” “این مانند یک راه اندازی نرم افزار نیست، جایی که شما فقط به چند کامپیوتر و یک ایده خوب نیاز دارید.”

اما فرصت ها ممکن است در آینده ایجاد شوند، زیرا بازار بالغ می شود. “در حال حاضر بازار توسعه نیافته است، بنابراین شرکت ها باید یکپارچه شوند، اما در سال های آینده وجود خواهد داشت.

با شرکت هایی که استخراج آهنربا، پردازش پودر یا تولید آهنربا را انجام می دهند، بسیار تخصص بیشتری خواهند داشت.

در همین حال، شرکت‌های صنعتی تأسیس‌شده مانند Solvay و Suez و همچنین شرکت‌های معدن‌کاری خاک‌های کمیاب، علاقه‌مند هستند. HyProMag خود توسط Maginito خریداری شده است، یک شرکت فناوری بازیافت متعلق به شرکت کانادایی Mkango در زمینه معدن‌کاری خاک‌های کمیاب، که از زمان شکل‌گیری این استارت‌آپ شریک بود.

     Kerecis، یک شرکت بزرگ ایسلندی که از پوست ماهی برای تولید محصولات مراقبت از زخم استفاده می کند، قرار است توسط سازنده تجهیزات پزشکی دانمارکی Coloplast در قراردادی به ارزش 1.3 میلیارد دلار خریداری شود. این ارزش گذاری باعث می شود Kerecis، که در سال 2007 تاسیس شد، اولین شرکت تک شاخ ایسلند باشد. پس از خرید مورد انتظار، که منوط به تایید مقررات است، Kerecis به عنوان یک تجارت مستقل تحت هویت و برند خود فعالیت خواهد کرد.