Các nguyên tố đất hiếm là “nước sốt bí mật” của nhiều vật liệu tiên tiến cho các ứng dụng năng lượng, giao thông, quốc phòng và thông tin liên lạc.Việc sử dụng năng lượng sạch lớn nhất của chúng là trong nam châm vĩnh cửu, nam châm này vẫn giữ được các đặc tính từ tính ngay cả khi không có trường hoặc dòng điện cảm ứng.

Ramesh Bhave của Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge đã đồng phát minh ra quy trình thu hồi các nguyên tố đất hiếm có độ tinh khiết cao từ các nam châm bị loại bỏ của ổ cứng máy tính (hiển thị ở đây) và các chất thải khác sau khi tiêu dùng.Nhà cung cấp hình ảnh: Phòng thí nghiệm Quốc gia Carlos Jones / Oak Ridge, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ

Giờ đây, các nhà nghiên cứu của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã phát minh ra một quy trình để chiết xuất các nguyên tố đất hiếm từ các nam châm bị loại bỏ củaổ cứng đã qua sử dụngvà các nguồn khác.Họ cóđược cấp bằng sáng chếvà mở rộng quy trình trong các cuộc trình diễn trong phòng thí nghiệm và đang làm việc với người được cấp phép của ORNLMomentum Technologies của Dallasđể mở rộng quy trình hơn nữa để sản xuất các lô oxit đất hiếm thương mại.

“Chúng tôi đã phát triển một quy trình tiết kiệm năng lượng, hiệu quả về chi phí, thân thiện với môi trường để thu hồi các vật liệu quan trọng có giá trị cao”, nhà đồng sáng chế Ramesh Bhave thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của DOE, người lãnh đạo nhóm công nghệ màng trong Bộ phận Khoa học Hóa học của ORNL cho biết.“Đó là một sự cải tiến so với các quy trình truyền thống, đòi hỏi các cơ sở có diện tích lớn, vốn và chi phí vận hành cao và một lượng lớn chất thải được tạo ra”.

Nam châm vĩnh cửu giúp ổ cứng máy tính đọc và ghi dữ liệu, điều khiển động cơ chuyển động hybrid và ô tô điện, cặp tua-bin gió với máy phát điện để tạo ra điện và hỗ trợ điện thoại thông minh dịch tín hiệu điện thành âm thanh.

Thông qua quy trình đã được cấp bằng sáng chế, nam châm được hòa tan trong axit nitric và dung dịch này liên tục được đưa qua một mô-đun hỗ trợ màng polyme.Các màng chứa các sợi rỗng xốp với chất chiết xuất đóng vai trò như một loại “cảnh sát giao thông” hóa học;nó tạo ra một rào cản chọn lọc và chỉ cho phép các nguyên tố đất hiếm đi qua.Dung dịch giàu đất hiếm thu được ở phía bên kia được tiếp tục xử lý để tạo ra oxit đất hiếm ở độ tinh khiết vượt quá 99,5%.

Đó là điều đáng chú ý khi xét về thông thường, 70% nam châm vĩnh cửu là sắt, không phải là nguyên tố đất hiếm.Bhave nói: “Về cơ bản, chúng tôi có thể loại bỏ hoàn toàn sắt và chỉ phục hồi đất hiếm.Việc chiết xuất các yếu tố mong muốn mà không đồng thời chiết xuất các yếu tố không mong muốn có nghĩa là ít chất thải được tạo ra sẽ cần xử lý và tiêu hủy ở hạ nguồn.

Những người ủng hộ công việc bao gồm DOE'sViện vật liệu quan trọng, hoặc CMI, để nghiên cứu phân tách và Văn phòng Chuyển đổi Công nghệ của DOE, hoặc OTT, để mở rộng quy trình.ORNL là thành viên nhóm sáng lập của CMI, một Trung tâm Đổi mới Năng lượng DOE do Phòng thí nghiệm Ames của DOE lãnh đạo và được quản lý bởi Văn phòng Sản xuất Tiên tiến.Việc “khai thác” dung dịch có tính axit với các màng chọn lọc của Bhave tham gia vào các công nghệ CMI đầy hứa hẹn khác để phục hồi đất hiếm, bao gồmmột quy trình đơn giản giúp nghiền nát và xử lý nam châmvàmột giải pháp thay thế không có axit.

Ngành công nghiệp phụ thuộc vào các vật liệu quan trọng và cộng đồng khoa học đang phát triển các quy trình để tái chế chúng.Tuy nhiên, không có quy trình thương mại hóa nào tái chế các nguyên tố đất hiếm tinh khiết từ nam châm phế thải điện tử.Đó là một cơ hội lớn bị bỏ lỡ khi 2,2 tỷ máy tính cá nhân, máy tính bảng và điện thoại di động dự kiến ​​sẽ xuất xưởng trên toàn thế giới vào năm 2019,theo Gartner.Bhave lưu ý: “Tất cả những thiết bị này đều có nam châm đất hiếm.

Dự án của Bhave, bắt đầu vào năm 2013, là một nỗ lực của cả nhóm.John Klaehn và Eric Peterson thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho của DOE đã hợp tác trong giai đoạn đầu của nghiên cứu tập trung vào hóa học, và Ananth Iyer, giáo sư tại Đại học Purdue, sau đó đã đánh giá tính khả thi về kinh tế và kỹ thuật của việc mở rộng quy mô.Tại ORNL, các cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Daejin Kim và Vishwanath Deshmane lần lượt nghiên cứu sự phát triển và mở rộng quy mô của quá trình phân tách.Nhóm ORNL hiện tại của Bhave, bao gồm Dale Adcock, Pranathi Gangavarapu, Syed Islam, Larry Powell và Priyesh Wagh, tập trung vào việc mở rộng quy trình và làm việc với các đối tác trong ngành, những người sẽ thương mại hóa công nghệ.

Để đảm bảo đất hiếm có thể được thu hồi qua nhiều loại nguyên liệu, các nhà nghiên cứu đã đưa các nam châm có thành phần khác nhau — từ các nguồn bao gồm ổ cứng, máy chụp ảnh cộng hưởng từ, điện thoại di động và ô tô lai — vào quá trình này.

Hầu hết các nguyên tố đất hiếm là lantan, nguyên tố có số hiệu nguyên tử từ 57 đến 71 trong bảng tuần hoàn.Bhave nói: “Chuyên môn to lớn của ORNL về hóa học lanthanide đã mang lại cho chúng tôi một bước khởi đầu ngoạn mục.“Chúng tôi bắt đầu xem xét các chất hóa học của lanthanide và các cách mà chất lanthanide được chiết xuất một cách có chọn lọc.”

Trong hơn hai năm, các nhà nghiên cứu đã điều chỉnh hóa học màng để tối ưu hóa việc thu hồi đất hiếm.Giờ đây, quy trình của họ thu hồi hơn 97% nguyên tố đất hiếm.

Cho đến nay, dự án tái chế của Bhave đã dẫn đến một bằng sáng chế và hai ấn phẩm (đâyvàđây) ghi lại sự phục hồi của ba nguyên tố đất hiếm — neodymium, praseodymium và dysprosi — dưới dạng hỗn hợp các ôxít.

Giai đoạn phân tách thứ hai bắt đầu vào tháng 7 năm 2018 với nỗ lực tách dysprosi khỏi neodymi và praseodymi.Một hỗn hợp của ba oxit được bán với giá 50 đô la một kg.Nếu dysprosi có thể được tách ra khỏi hỗn hợp, oxit của nó có thể được bán với giá gấp 5 lần.

Giai đoạn thứ hai của chương trình cũng sẽ khám phá xem liệu quy trình cơ bản của ORNL để tách đất hiếm có thể được phát triển để tách các nguyên tố có nhu cầu khác khỏi pin lithium ion hay không.Bhave cho biết: “Tốc độ tăng trưởng cao dự kiến ​​của xe điện sẽ đòi hỏi một lượng lớn lithium và coban,” Bhave nói.

Các nỗ lực công nghiệp cần thiết để triển khai quy trình ORNL vào thị trường, được tài trợ trong hơn hai năm bởi Quỹ Thương mại hóa Công nghệ OTT của DOE, đã bắt đầu vào tháng 2 năm 2019.

Mục tiêu là thu hồi hàng trăm kg ôxít đất hiếm mỗi tháng và xác nhận, xác minh và chứng nhận rằng các nhà sản xuất có thể sử dụng vật liệu tái chế để làm nam châm tương đương với nam châm được làm bằng vật liệu nguyên sinh.

Văn phòng Sản xuất Tiên tiến của DOE, một bộ phận của Văn phòng Tiết kiệm Năng lượng và Năng lượng Tái tạo, đã tài trợ cho nghiên cứu này thông qua CMI, được thành lập để đa dạng hóa nguồn cung, phát triển các sản phẩm thay thế, cải thiện việc tái sử dụng và tái chế và tiến hành nghiên cứu chéo các vật liệu quan trọng.ORNL đã đưa ra định hướng chiến lược cho các lĩnh vực này kể từ khi CMI bắt đầu vào năm 2013. Điều này bao gồm việc cung cấp các nhà lãnh đạo cho các lĩnh vực trọng tâm và các dự án dẫn đến những cải tiến mới trong hợp kim nhôm-xeri và tái chế nam châm.

Nguồn:ORNL