[論文レビュー] Opportunities for plasma separation techniques in rare earth elements recycling

Renaud Gueroult, Jean-Marcel Rax+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2017

Extraction and Separation Processes参考文献 108被引用数 63

ひとこと要約

本論文はNdFeB磁石のリサイクル経路としてプラズマ質量分離を評価し、質量フィルター手法をモデル化し、予備的なコスト見積もりと性能洞察を提示する。

ABSTRACT

Rare earth elements recycling has been proposed to alleviate supply risks and market volatility. In this context, the potential of a new recycling pathway, namely plasma mass separation, is uncovered through the example of nedodymium - iron - boron magnets recycling. Plasma mass separation is shown to address some of the shortcomings of existing rare earth elements recycling pathways, in particular detrimental environmental effects. A simplified mass separation model suggests that plasma separation performances could compare favourably with existing recycling options. In addition, simple energetic considerations of plasma processing suggest that the cost of these techniques may not be prohibitive, particularly considering that energy costs from solar may become significantly cheaper. Further investigation and experimental demonstration of plasma separation techniques should permit asserting the potential of these techniques against other recycling techniques currently under development.

研究の動機と目的

• NdFeB磁石のリサイクルを通じた多様なREE供給の必要性と環境影響の低減を動機づける。
• プラズマ分離を水素冶金法および熱冶金法によるリサイクルの代替として環境に優しい選択肢として導入する。
• NdFeB廃棄物からのREE分離性能を評価するための単純な質量フィルターモデルを提案する。
• プラズマベースのリサイクルに関する予備的なコスト見積もりを提供し、潜在的な利点と課題を論じる。

提案手法

• 閾値 M0 と幅パラメータ alpha を用いて原子質量に基づく分離をモデル化するプラズマ質量フィルター関数 Gamma_M0(M) を定義する。
• 重元素（REEs）と軽元素（Fe, B, 雑質物）ストリームが生成される3段階の分離シナリオを分析する（Stage 1）。
• 質量分率とフィルター関数を用いてREE純度 x_RE、分離係数 beta_RE、抽出効率 r_RE を計算する（式2–4）。
• フィルター幅と閾値が純度と効率に与える影響を検討する（ケースA, B, C は異なる alpha に対応）
• 混合REEストリームから個々のREEを分離する高度な分離の概念的フローを提案する（Stage 2）。
• 蒸発/加熱およびプラズマ形成コストを含むプラズマ処理の予備的エネルギーコストフレームワークを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NdFeB磁石廃棄物において、単一段階でプラズマ質量分離はREEを軽元素から効果的に分離できるか。
• RQ2 フィルター幅と閾値（M0, alpha）がREE純度、抽出効率、分離係数にどのように影響するか。
• RQ3 プラズマベースのNdFeB磁石リサイクルの潜在的コスト範囲はどの程度で、化学的方法とどう比較されるか。
• RQ4 複数段階のプラズマ分離スキームは、許容可能なコストで個々のREEを分離することができるか。

主な発見

• 狭いフィルター（Case A）は重ストリームのREE純度をほぼ完璧にし（x_RE = 1）、抽出も非常に高く（r_RE = 1）、分離係数が非常に大きい（beta_RE = 3×10^5）
• 中程度の幅のフィルター（Case B）は高 purity (x_RE = 0.97) と高抽出（r_RE = 0.99）を達成し、分離係数（beta_RE = 76）も大きい。
• 広いフィルター（Case C）は純度（x_RE = 0.44）と抽出（r_RE = 0.61）を顕著に低下させ、分離係数（beta_RE = 1.57）も小さい。
• 感度分析は、純度が主にフィルター幅によって支配され、広いフィルターで閾値M0が増えると抽出効率が低下することを示しています。
• 予備的なエネルギーコスト推定はNdFeB原料あたり約800 MJ/kgと見積もられ、0.12$/kW·h 時点で約$27/kgに相当し、太陽エネルギーによるコスト削減は将来のコストを低くする可能性がある。部分イオン化戦略はコストをさらに低減できる可能性がある（組成に応じて ~$13–$27 per kg）。
• 本研究はプラズマ分離が環境上有利（化学廃棄物なし）で、巨大磁石のような濃縮原料に対してコスト競争力がある可能性を示唆しており、さらなる実験的検証が必要である。）