[논문 리뷰] Opportunities for plasma separation techniques in rare earth elements recycling

Renaud Gueroult, Jean-Marcel Rax외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 12.

Extraction and Separation Processes참고 문헌 108인용 수 63

한 줄 요약

본 논문은 NdFeB 자석의 재활용 경로로 플라즈마 질량 분리를 평가하며 질량-필터 방식을 모델링하고 예비 비용 추정 및 성능 통찰을 제시한다.

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.

연구 동기 및 목표

• NdFeB 자석의 재활용을 통해 다양화된 희토류 공급의 필요성과 환경 영향 감소를 촉진한다.
• 수소- 및 파이로 메탈로지 재활용에 대한 환경 친화적 대안으로 플라즈마 분리 기술을 소개한다.
• NdFeB 폐기물로부터 REE 분리 성능을 평가하기 위한 간단한 질량-필터 모델을 제안한다.
• 플라즈마 기반 재활용의 예비 비용 추정치를 제시하고 잠재적 이점과 과제를 논의한다.

제안 방법

• 임계치 M0와 폭 매개변수 alpha를 갖는 원자 질량 기반 분리를 모델링하기 위해 플라즈마 질량 필터 함수 Gamma_M0(M)을 정의한다.
• Stage 1에서 무거운 흐름(REEs)과 가벼운 흐름(Fe, B, 오염물)을 생성하는 3단 분리 시나리오를 분석한다.
• 질량 분율과 필터 함수(Equations 2–4)를 사용해 REE 순도 x_RE, 분리 계수 beta_RE, 추출 효율 r_RE를 계산한다.
• 필터 폭과 임계치가 순도와 효율에 미치는 영향을 탐색한다(사례 A, B, C는 서로 다른 alpha 값에 대응).
• 혼합 REE 스트림에서 개별 REE를 분리하기 위한 고급 분리의 개념적 흐름을 제시한다(Stage 2).
• 증발/가열 및 플라즈마 형성 비용을 포함한 플라즈마 가공의 예비 에너지 비용 프레임워크를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 단계에서 NdFeB 자석 폐기물로부터 REE를 가볍게 분리하는 것이 가능한가?
• RQ2 필터 폭과 임계치(M0, alpha)가 REE 순도, 추출 효율, 및 분리 계수에 어떤 영향을 끼치는가?
• RQ3 플라즈마 기반 NdFeB 자석 재활용의 잠재 비용 범위는 무엇이며 화학적 방법과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 다단계 플라즈마 분리 방식이 개별 REE를 허용 가능한 비용으로 분리할 수 있는가?

주요 결과

• 협소한 필터(Case A)는 무거운 스트림에서 REE 순도 x_RE이 1에 근접하고 추출 역시 거의 1에 이르는 매우 높은 분리 계수(beta_RE = 3×10^5)를 보인다.
• 중간 폭의 필터(Case B)는 여전히 높은 순도(x_RE = 0.97)와 높은 추출(r_RE = 0.99)을 달성하며 상당한 분리 계수(beta_RE = 76)를 보인다.
• 넓은 필터(Case C)는 순도(x_RE = 0.44)와 추출(r_RE = 0.61)을 현저히 낮추고 작은 분리 계수(beta_RE = 1.57)를 보인다.
• 민감도 분석은 순도가 주로 필터 폭에 의해 제어되고, 더 넓은 필터에서 임계치 M0가 증가함에 따라 추출 효율이 감소함을 보여준다.
• 에너지 비용 예비 추정은 NdFeB 공급원당 약 800 MJ/kg로, $0.12/kW·h에서 kg당 약 $27에 해당하며, 태양광 에너지 비용 절감으로 미래 비용이 낮아질 가능성이 있다; 부분 이온화 전략은 비용을 더 낮출 수 있다(조성에 따라 약 $13–$27 per kg).
• 연구는 플라즈마 분리가 화학적 폐기물 없이 환경적으로 유리하고, 큰 자석과 같은 농축된 공급원에 대해 비용 경쟁력이 있을 수 있음을 시사하며 추가 실험적 검증이 필요하다고 논한다.