Recycling Of NdFeB Magnets For Rare Earth Elements (REE) Recovery

ABSTRACT

NdFeB magnets currently dominate the magnet market due to their superior magnetic properties with maximum volume minimization. NdFeB magnets are composed of 25-35 wt. % rare earth elements (REE) along with ca. 1 wt. % B and the rest being transition metals (mainly Fe). REE, other than Nd, such as Dy, Pr, Tb and Gd or exogen elements, other than Fe, such as Al, Co, Ga, Nb, Si, Cu and Zr can also be present as minor admixtures. Depending on the operation medium, these magnets are usually also coated with Ni, Zn, etc. or can be embedded in epoxy.

The on-going monopoly of China on REE oxide production in the last two decades along with continuously increasing demand for REE impose serious supply risks for certain REE (e.g. Nd and Dy). Due to their high REE content along with their increasing production rate, efficient recycling options for pre-consumer and end-of-life (EOL) NdFeB magnets are needed to combat that supply problem. Several direct or indirect recycling processes have been proposed so far in order to treat the waste NdFeB magnet materials. Such a process must be (i) highly efficient on recovering the rare earth elements with high selectivity against Fe and other exogen elements, (ii) applicable to different magnet sources and compositions, and (iii) as “green” as possible (e.g. minimum use of chemicals and energy with minimum waste generation). It can be indicated here that hydrometallurgical methods with or without pyrometallurgical pretreatments (e.g. roasting) seem to be the most prominent among other alternatives mostly because of their applicability to all types and compositions of magnet material and their adjustability to already existing REE ore-processing industry.

Recycling Of NdFeB Magnets For Rare Earth Elements (REE) Recovery

Recycling Of NdFeB Magnets For Rare Earth Elements (REE) Recovery

To achieve these goals, 3 different hydrometallurgical or combined hydro- and pyrometallurgical flow sheets have been developed and completed within this thesis. These are namely, (1) Sulfation, Selective Roasting and Water Leaching, (2) Nitration, Calcination and Water Leaching, and (3) Complete Leaching, Iron Removal and Electrolysis. Both of the first two flow sheets were a combination of pyro- and hydrometallurgical methods and enabled >95% REE and <1 % Fe extraction producing at least 98 % REE purity in the leachate suitable for any type of downstream applications for REE separation. However, the second flow sheet resulted in additional advantages over the first flow sheet. Due to very low calcination temperature required (200 °C vs. 750 °C) and the theoretically easier recycling of the majority of the consumed acid (e.g. condensation), the second one was qualitatively more environmentally-friendly and cost-effective. The by-product (solid residue) is marketable to related iron industries (e.g. steel making) as it was either a mixture of goethite (FeOOH) and hematite (Fe2O3) or only hematite with great purity (>90 wt. %).

In the third flow sheet, a different and only-hydrometallurgical approach was taken. Here, in addition to previous targets, it was aimed to recover minor but valuable base metals (e.g. Co, Ni and Cu) along with complete recycling of consumed acid and chemicals after electrolysis stage. However, this stage was found to be problematic and not a good candidate for purification of the leachate for REE. Additional steps were studied to overcome these problems and were found to be quite successful. However, the overall flow sheet extended significantly thereby requiring a justification through economic analysis.

In the last phase of the doctorate, a separate work flow was studied, namely, Comparative Oxidation Behaviors of Hydrogenated NdFeB Magnets. Here, it was aimed to investigate the thermal oxidation behaviours of differently hydrogenated magnets. Hydrogenation treatments are the most promising methods to physically remove waste NdFeB magnets from their surroundings. The oxidation tendency of the product after such treatments can be of importance for both direct and indirect recycling routes. While the initial composition of the magnet was found to have little or no effect on the oxidation behaviour of both hydrogenated and non-hydrogenated magnets, the hydrogenation treatment type had direct impact via both particle size distribution and oxidation mechanism. Among all 5 hydrogenation treatments, the hydrogenation decrepitation (HD) method was found to be the most effective treatment for subsequent conventional oxidative roasting-acid leaching flow sheet while disproportionated magnets were found to be the most stable powders.

Momenteel domineren NdFeB magneten de markt door hun superieure magnetische eigenschappen bij het maximaal verkleinen van het volume. NdFeB magneten bevatten 25-35 gew. % zeldzame aardmetalen met ongeveer 1 gew. % B, de rest transitiemetalen (vooral Fe). Recycling Of NdFeB Magnets For Rare Earth Elements (REE) Recovery
Behalve Nd kunnen ook andere zeldzame aardmetalen aanwezig zijn, zoals Dy, Pr, Tb, en Gd, of andere exogene elementen dan Fe, zoals Al, Co, Ga, Nb, Si en Zr. Afhankelijk van de gebruiksomgeving kunnen de magneten ook omhuld zijn door een coating van bv. Ni of Zn, of ingebed zijn in epoxyhars.

Het huidige monopoly van China met betrekking tot de productie van zeldzame aardmetaaloxides gedurende de laatste twee decennia samen met de stijgende vraag naar zeldzame aardmetalen, veroorzaken significante toeleveringsrisico’s voor bepaalde zeldzame aardmetalen (bv. Nd en Dy). Door hun hoge concentratie aan zeldzame aardmetalen en stijgende productievolumes zijn efficiënte recyclage-opties voor NdFeB magneten nodig om dit toeleveringsrisico te verlagen. Verscheidene rechtstreekse en onrechtstreekse recyclageprocessen werden al voorgesteld om afval-NdFeB magneten te behandelen. Een dergelijk proces moet (i) zeer efficiënt zijn in het winnen van de zeldzame aardmetalen met hoge selectiviteit ten opzichte van Fe en andere exogene elementen, (ii) toepasbaar zijn op verschillende origines en samenstellingen van magneten en (iii) zo “groen” mogelijk zijn (bv.
met een minimaal verbruik van chemicaliën en energie, met een minimale aanmaak van afvalstromen). Er kan op gewezen worden dat hydrometallurgische methoden al dan niet met pyrometallurgische voorbehandelingen (bv. roosten) het meest prominent boven zijn alternatieven uitsteekt, door de toepasbaarheid op alle types en samenstellingen van magneetmateriaal en de aanpasbaarheid aan de bestaande zeldzame aardmetaalerts verwerkende industrie. Recycling Of NdFeB Magnets For Rare Earth Elements (REE) Recovery

Om deze doelen te halen zijn 3 verschillende hydrometallurgische of gecombineerde hydro-pyrometallurgische flow sheets ontwikkeld en uitgevoerd tijdens deze thesis. De 3 geteste flow sheets zijn: (1) Sulfatering, selectief roosten en uitlogen in water, (2) nitrering, calcinatie en uitlogen in water en (3) volledige uitlogen, ijzer verwijdering en electrolyse. De 2 eerste flow sheets zijn een combinatie van pyro- en hydrometallurgische methoden en lieten de extractie toe van >95 % van de zeldzame aardmetalen en <1% Fe, met een zuiverheid van 98% zeldzame aardmetalen in het uitloogoplossing, wat geschikt is voor elk downstream zeldzaam aardmetaalscheidingsproces. Door de zeer lage calcinatietemperatuur die nodig was (200 °C t.o.v. 750 °C) en de theoretisch gemakkelijkere recyclage van het verbruikte zuur (bv. door condensatie), was de tweede flow sheet kwalitatief gezien milieuvriendelijker en kosteffectiever. Het bijproduct (een vast residu) is op de markt te brengen naar de ijzer- en staalindustrie, aangezien het een mix was van goethiet (FeOOH) en hematiet (Fe2O3) of puur hematiet (>90 gew. %). Recycling Of NdFeB Magnets

In de derde flow sheet werd een andere, zuiver hydrometallurgische, aanpak gevolgd. Hier werd, bovenop eerder vernoemde doelen, ook gekeken naar de valorisatie van minder aanwezige basismetalen (bv. Co, Ni en Cu) samen met de recuperatie van het verbruikte zuur en andere chemicaliën na de elektrolyse. Dit laatste stadium was echter problematisch en vormde geen goede kandidaat voor de zuivering van de zeldzame aardmetalen in het loog. Extra processen werden onderzocht om deze problemen te vermijden. Die bleken succesvol te zijn. Recycling Of NdFeB Magnets For Rare Earth Elements (REE) Recovery
De algemene flow sheet werd daardoor echter sterk uitgebreid, waardoor een economische analyse nodig was om te controleren of dit verantwoord is. In de laatste fase van het doctoraat werd een apart procesdeel bestudeerd, namelijk  de vergelijking van oxidatiegedrag van gehydrogeneerde NdFeB magneten. Hier werd de thermische oxidatie van op verschillende manieren gehydrogeneerde magneten onderzocht. Recycling Of NdFeB Magnets For Rare Earth Elements (REE) Recovery
Hydrogenatiebehandelingen zijn de meest belovende methoden om afval-NdFeB magneten te scheiden van hun omgeving. De neiging om geoxideerd te worden van het product van een dergelijke behandeling kan belangrijk zijn voor directe en indirecte recyclageprocessen. Terwijl de initiële samenstelling van de magneet geen invloed bleek te hebben op het oxidatiegedrag van gehydrogeneerde en niet-gehydrogeneerde magneten, had het type van hydrogenatiebehandeling een directe invloed via de deeltjesgrootteverdeling en het oxidatiemechanisme. Van alle 5 hydrogenatiebehandelingen werd de hydrogenatie-decrepitatie (HD) methode gevonden als de meest effectieve voorbehandeling voor de conventionele oxidatief roosten – zuur uitlogen flow sheet, terwijl gedisproportioneerde magneten als de meest stabiele poeders ervaren werden.

Permanent Plastic Bonded NdFeB Magnets

Epoxy Covered Rare Earth Sintering NdFeB Magnets N38M

Most Popular Industrial Ceramic Magnets Block-Shape 70 x 20 x 20mm

Recycling of Additively Printed Rare-earth Bonded Magnets

UMC Recycle Rare Earth Magnets

Progress in Recycling of Sintered NdFeB Magnet Wastes