[论文解读] 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 63

一句话总结

本文评估等离子体质量分离作为NdFeB磁体回收的一种路径，建立了质量过滤模型并给出初步成本估算与性能见解。

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.

研究动机与目标

• 通过回收 NdFeB 磁体来多样化稀土元素供应并降低环境影响的需要成为动机。
• 介绍等离子体分离作为比水冶/火法冶金回收更环保的替代方案。
• 提出一个简单的质量过滤模型以评估 NdFeB 废料中的稀土元素分离性能。
• 提供初步的成本估算并讨论基于等离子体的回收的潜在优势与挑战。

提出的方法

• 定义一个基于原子质量的等离子体质量过滤函数 Gamma_M0(M)，其具有阈值 M0 和宽度参数 alpha 来建模分离。
• 分析一个三层分离场景，在该场景中产生重（REEs）和轻（Fe、B、污染物）流（阶段1）。
• 使用质量分数和过滤函数（方程式 2–4）计算 REE 纯度 x_RE、分离因子 beta_RE 和提取效率 r_RE。
• 探讨过滤宽度和阈值如何影响纯度和效率（案例 A、B、C 对应不同的 alpha 值）。
• 提出一个用于高级分离的概念性流程，以从混合的 REE 流中分离出单个 REEs（阶段2）。
• 提供等离子体处理的初步能量成本框架，包括蒸发/加热和等离子体形成成本。

实验结果

研究问题

• RQ1 等离子体质量分离在单阶段是否能够有效地将NdFeB磁体废料中的REEs与轻元素分离？
• RQ2 过滤宽度和阈值（M0、alpha）如何影响REE纯度、提取效率和分离因子？
• RQ3 基于等离子体的NdFeB磁体回收的潜在成本范围是多少，与化学方法相比有何差异？
• RQ4 多阶段的等离子体分离方案是否能够在可接受成本下分离出单个REEs？

主要发现

• 窄带过滤器（案例 A）在重流中几乎达到完美的REE纯度（x_RE = 1），提取率极高（r_RE = 1），分离因子极大（beta_RE = 3×10^5）。
• 中等宽度的过滤器（案例 B）仍然实现高纯度（x_RE = 0.97）和高提取（r_RE = 0.99），分离因子显著（beta_RE = 76）。
• 宽带过滤器（案例 C）显著降低纯度（x_RE = 0.44）和提取（r_RE = 0.61），分离因子较小（beta_RE = 1.57）。
• 敏感性分析显示纯度主要受过滤宽度控制，而随着阈值 M0 在更宽的过滤中增加，提取效率下降。
• 初步能量成本估算表明，NdFeB 给料的等离子体处理约为 800 MJ/kg，对应约 $27/kg（$0.12/kW·h），太阳能成本下降可能降低未来成本；部分电离策略可进一步降低成本（取决于成分，约 $13–$27 per kg）。
• 研究表明等离子体分离在环境上可能具有优势（无化学废物）并且在高浓缩供给如大型磁铁时具有潜在的成本竞争力，值得进一步的实验验证。