如何使用智能設計來加強稀土回收

稀土元素 （REE） 對社會很重要，因為它們可以提高各種綠色能源、工業、醫療、航空航天和消費設備的性能。它們很稀有，因為雖然并不少見，但它們廣泛分布在地殼中，通常不會以高濃度發現。

這使得它們的提取變得困難且昂貴。此外，稀土元素，尤其是鑭系元素，通常一起存在于同一礦石中，并且具有許多相似的化學性質，因此在精煉過程中很難將它們分離。

這些挑戰延伸到回收利用。智能產品設計可以通過結合拆卸設計、模塊化設計和最大限度地減少材料種類來顯著提高 REE 回收率。

可循環性和拆卸設計

除了優化生產效率和大規模定制外，工業 4.0 還越來越注重支持循環經濟。智能設計是關鍵，包括制造、裝配、拆卸和其他因素（如增材制造）的設計（圖 1）。人們越來越意識到拆卸設計 （DfD） 的重要性。

圖 1.DfD 是支持循環經濟和 REE 回收的方法之一。圖片來源：International Journal of Production Research)

國際標準化組織 （ISO） 發布了多項與可持續性和循環經濟相關的標準。與回收相關的關鍵標準是 ISO 59014，它提供了一種標準化方法，以確保二次材料回收的可持續性和可追溯性。

DfD 使設備更易于維修、升級和回收。它有助于優化 REE 回收并符合 ISO 59014 標準。DfD 的概念已擴展到裝配和拆卸設計 （DfAD）。

拆卸有兩種常見的過程，破壞性拆卸和非破壞性拆卸。破壞性拆卸側重于材料的回收和再循環，而非破壞性拆卸側重于部件或子組件的修復或恢復。

稀土回收

目前有幾種技術用于 REE 回收。它們包括濕法冶金（將合金溶解在酸中）、火法冶金（高溫工藝）、液液萃?。ㄊ褂萌軇┓蛛x稀土）和直接回收（組件的拆卸和再利用）。在各個開發階段，更環保的方法包括細菌酸浸出和銅鹽浸出（圖 2）。

圖 2.有幾種回收技術可用于支持 REE 和其他有價值材料的可持續循環使用。（圖片：整體環境科學)HDD 磁體的無酸溶解回收

某些細菌會產生有機酸，用于溶解 REE 以進行回收。這些有機酸比傳統上使用的強酸對環境的破壞更小，但已經開發了一種基于銅鹽浸出的新型無酸溶解方法。

已經建立了一個試點工廠，使用銅鹽浸出來回收硬盤驅動器 （HDD）。該工廠已用于回收約 50,000 磅的報廢 HDD 碎屑、安裝盒和其他材料。除了稀土元素外，該工藝還可以提取和回收金、銅、鋁和鋼等金屬。改進的 HDD 設計，針對回收進行優化，可以提高這種方法的經濟性。

對成分的仔細分離使工廠能夠回收約 80% 的原料質量。此外，根據生命周期分析，與傳統的 REE 開采和加工相比，該工藝可減少約 95% 的溫室氣體排放。

銅鹽浸出對于從廢磁體或磁體切屑等材料中分離稀土元素特別有用（圖 3）。然而，回收某些類型的含 REE 材料的效率可能較低，并且它仍然會產生必須處理的有毒廢物流和排放物。

圖 3.銅鹽浸出可以支持將 REE 磁鐵廢料循環回收成新的磁鐵。（圖片：施普林格·自然）)總結

智能設計，如 DfD 和 DfAD，支持循環經濟，包括稀土的回收。ISO 59014 提供了一種標準化方法，以確保二次材料回收的可持續性和可追溯性，并且可以成為量化智能產品設計結果的重要工具。智能設計不僅限于產品設計和生產，還包括使用最環保和最具成本效益的稀土回收方法，包括銅鹽浸出等新興技術。