从磁体废弃物到稀土氧化物：一种从电动汽车电机中回收钕和钬的可持续方法

《Sustainable Materials and Technologies》：From magnet waste to rare earth oxides: A sustainable route for recovering neodymium and holmium from electric vehicle motors

本研究开发了火法与湿法冶金结合工艺，从废旧电动汽车永磁体中高效回收分离钕和铽，实现草酸盐和氧化物的制备，并通过表征验证其应用潜力。

　　随着全球能源结构的转型和电动汽车市场的迅速扩张，稀土元素（REE）的需求正在经历显著增长。预计到2050年，全球的电气化程度将大幅提高，这将直接推动对稀土元素的更高需求。然而，稀土元素的开采过程复杂且资源有限，使得回收成为一种可持续的替代方案。本文探讨了一种结合火法与湿法冶金的方法，成功实现了从报废电动汽车电机中的永磁体中回收和分离钕（Nd）与钬（Ho）。

在这一过程中，首先对磁体粉末进行了氯化焙烧处理，随后通过水浸出步骤提取稀土元素。这一系列操作有效地将稀土元素从磁体中释放出来，并形成富含稀土的溶液。接下来，通过液液萃取技术，逐步去除铁元素，从而获得较为纯净的稀土溶液。为了进一步分离Nd和Ho，研究团队使用了0.05 mol/L的二(2-乙基己基)磷酸（D2EHPA）作为萃取剂，成功将钬萃取至有机相中。而富含钕的水相则通过草酸处理，得到钕草酸盐。另一方面，负载了钬的有机相则通过饱和草酸溶液进行反萃取，从而回收得到钬草酸盐。最后，通过对这两种草酸盐进行热处理，分别获得了Nd?O?和Ho?O?，这些材料具有广泛的应用前景，例如在催化、光电子、气体传感和涂层等领域。

稀土元素因其独特的磁性、发光和催化性能，在现代科技中占据着不可或缺的地位。特别是，钕在制造高性能钕铁硼（NdFeB）磁体中起着核心作用，这种磁体被认为是目前最强的永磁材料之一，主要由29%–32%的钕、1%–2%的硼和64%–68.5%的铁组成。而钬虽然在磁体制造中的使用频率较低，但其独特的热稳定性和磁性能使其成为某些高端应用的关键材料，如电动汽车电机和风力涡轮机。由于这些磁体在电动汽车等新兴技术中的广泛应用，其回收与分离的重要性日益凸显。

全球电动汽车数量的快速增长进一步加剧了对稀土元素的需求。根据国际能源署（IEA）的预测，到2030年，电动汽车的数量将达到1.45亿辆，而这一数字在2050年可能会达到更高的水平。因此，稀土元素的供应压力也随之增大。与此同时，稀土元素的开采和加工过程带来了显著的环境和经济挑战，包括高能耗、废物产生以及对生态系统的潜在破坏。为了缓解这些问题，开发有效的回收技术变得尤为重要。

目前，稀土元素的回收主要依赖于从报废永磁体中提取。与一些次要来源如磷石膏相比，这些永磁体具有更高的稀土含量和更明确的化学组成，使得它们成为更具吸引力的回收对象。然而，稀土元素的化学性质非常相似，这使得它们的分离和纯化面临巨大挑战。因此，尽管已有多种回收方法被提出，但实现高效、可扩展的稀土元素分离仍然是一个亟待解决的问题。

本文提出了一种新的回收与分离方法，结合了火法和湿法冶金技术。首先，通过氯化焙烧处理磁体粉末，这一过程不仅能够破坏磁体的结构，还能促进稀土元素的释放。随后，水浸出步骤进一步提取稀土元素，形成富含稀土的溶液。这一阶段的关键在于如何高效地去除杂质，尤其是铁元素，因为铁的存在会影响后续的分离过程。因此，研究团队采用了一系列液液萃取步骤，以去除铁，从而获得更纯净的稀土溶液。

在分离Nd和Ho的过程中，研究团队选择了D2EHPA作为萃取剂，这一有机溶剂能够有效将钬转移到有机相中，而钕则留在水相中。通过这种方式，实现了钕和钬的初步分离。为了进一步纯化钕，研究团队对富含钕的水相进行了草酸处理，得到了钕草酸盐。同样，对负载了钬的有机相进行反萃取，使用饱和草酸溶液回收得到了钬草酸盐。这些草酸盐经过热处理后，分别转化为Nd?O?和Ho?O?，这两种氧化物具有广泛的工业应用价值。

为了验证回收过程的有效性，研究团队对所得的稀土草酸盐和氧化物进行了系统的表征分析。这些分析涵盖了材料的形态、结构、组成和电子特性等多个方面。通过多种互补的实验技术，研究团队不仅确认了回收材料的纯度，还评估了其在不同应用领域的潜力。例如，Nd?O?在催化、光电子、气体传感和涂层等领域具有重要应用价值，而Ho?O?则因其在波长校准仪器、热解催化剂、放射治疗和高平均功率激光器中的应用而受到越来越多的关注。

此外，研究团队还探讨了这一回收过程的可行性。通过实验数据，他们发现该方法能够实现超过90%的稀土元素回收率，这一结果表明该方法在实际应用中具有很高的潜力。同时，该方法的操作步骤相对简单，减少了对复杂设备和技术的要求，使得其具备良好的可扩展性。这一成果不仅有助于缓解稀土元素的供应压力，还为建立全球性的稀土回收体系提供了重要的技术支持。

在当前的背景下，许多国家和地区正在积极推动稀土回收技术的研发。欧洲、美国以及其他国家的多个前沿项目正在致力于开发可行、可扩展的回收方法，以减少对原始矿产资源的依赖并支持可持续发展。例如，欧盟资助的SUSMAGPRO、HARMONY、REEsilience和REE4EU项目，以及大型科技公司之间的战略联盟，都在积极探索稀土回收的路径。这些努力不仅有助于提高稀土资源的利用效率，还为环境保护和资源循环利用提供了新的解决方案。

然而，稀土元素的回收和分离仍然面临诸多挑战。首先，回收过程需要高效的化学处理方法，以确保稀土元素的高回收率和低杂质含量。其次，由于稀土元素的化学性质相近，分离过程需要精确的控制条件，以避免不同元素之间的交叉污染。此外，回收过程中的能源消耗和废物处理也是需要重点关注的问题。因此，研究团队在本文中提出的方法不仅在技术上具有可行性，还在经济性和环境友好性方面表现出优势。

本文的研究成果为稀土元素的回收与分离提供了新的思路。通过结合火法和湿法冶金技术，研究团队成功实现了钕和钬的高效回收与分离，为未来大规模的稀土回收提供了基础。同时，该方法所获得的稀土氧化物具有良好的应用前景，表明这一技术不仅能够满足当前的需求，还可能在未来的可持续发展和资源循环利用中发挥重要作用。

在实际应用中，这一方法可以被广泛应用于报废电动汽车电机的处理过程中。通过对这些磁体进行系统化的回收和分离，不仅可以减少对原始矿产资源的依赖，还能降低对环境的影响。此外，该方法还可以为其他含有稀土元素的工业废弃物提供借鉴，推动更多资源的循环利用。随着技术的不断进步和政策的持续支持，稀土元素的回收与分离有望成为未来工业发展的重要方向。

总之，本文提出了一种有效的稀土元素回收与分离方法，通过氯化焙烧、水浸出、液液萃取和草酸处理等步骤，成功从报废电动汽车电机的永磁体中提取了钕和钬，并将其转化为具有广泛应用价值的氧化物。这一过程不仅在技术上具有可行性，还为解决稀土资源短缺问题提供了新的思路。随着全球对可持续发展和资源循环利用的重视，这一研究为未来的稀土回收技术发展奠定了坚实的基础。