بخشی از مقاله
چکیده
نئودیمیم یک عنصر شیمیایی با نماد Nd و عدد اتمی 60 بوده و در گروه عناصر نادر خاکی قرار میگیرد. از نئودیمیم به دلیل خواص مغناطیسی منحصر به فرد آن در ساخت آهنرباهاي نئودیمیمی با استحکام بالا و حجم کم - مانند حافظههاي کامپیوتر - و یا در ساخت آهنرباهاي نئودیمیمی بزرگتر در موتورهاي الکتریکی با قدرت بالا - مانند خودروهاي هیبریدي - استفاده میشود. نئودیمیم به مقدار قابل توجهی در سنگهاي معدنی مونازیت و باستنازیت وجود دارد، اما استحصال و جداسازي آن از ترکیبات منابع اولیه با پیچیدگی مواجه است.
هدف از این پژوهش استحصال و بازیابی نئودیمیم از یکی از منابع ثانویه آن یعنی آهنرباهاي نئودیمیمی حافظههاي مستعمل و با استفاده از روش هیدرومتالورژي و فرآیند لیچینگ انتخابی است. در این تحقیق از سولفوریک اسید و هیدروکلریک اسید به عنوان عامل لیچینگ استفاده شد و تأثیر همزمان نوع اسید، غلظت اسید، زمان، دما و چگالی پالپ - نسبت جامد به مایع - مورد بررسی قرار گرفت. همچنین به منظور رسوب و جداسازي نئودیمیم از محلول لیچینگ از تغییرات pH و از سدیم هیدروکسید استفاده شد. در نهایت نئودیمیم به میزان 95 درصد مورد بازیابی و ترکیب هیدروکسید نئودیمیم در pH=1 و به وسیله آنالیز XRD مورد تأیید قرار گرفت.
-1 مقدمه
آهنرباهاي نئودیمیمی - Nd-Fe-B - در مقایسه با آهنرباهاي آلنیکو - Al-Ni-Co - و ساماریم- کبالت - Sm-Co - داراي قدرت مغناطیسی بالا، فرآیند ساخت آسان و هزینه پایینتري هستند. همچنین مقدار نئودیمیم - Nd - در سنگهاي معدنی عناصر نادر خاکی غنی بوده و استحصال آن نیز از مواد خام اولیه آسان میباشد. به همین دلیل آهنرباهاي نئودیمیمی در ساخت تجهیزاتی که داراي میدان مغناطیسی هستند استفاده میشوند. از جمله این تجهیزات میتوان به انواع مختلف وسایل الکترونی، کامپیوتري، پزشکی، پتروشیمی و تجهیزات رادیویی اشاره کرد.
در یک نمونه مطالعاتی که توسط Walter و همکارانش در سال 2007 صورت گرفت، میزان تولید کلی آهنرباهاي Nd-Fe-B در جهان در حدود 63 هزار تن برآورد شد و انتظار میرود این میزان تولید تا سال 2020 به 120 هزار تن افزایش یابد .[1] آهنرباهاي نئودیمیمی یک منبع بسیار مناسبی براي ایجاد میدان مغناطیسی در وسایل الکترونیکی و ابزارهاي خانگی هستند .[2]
به واسطه منابع عظیم نئودیمیم در چین تقریبا بیشتر مصرف کنندگان این عنصر، مواد خام اولیه خود را از این کشور تامین میکنند. یکی از بزرگترین تولید کنندگان آهنربا در جهان میزان تولید آهنرباهاي قراضه در جهان را 750 تن بر سال برآورد کرده است [3] و همه ساله به مقدار آهنرباهاي قراضه به واسطه تولید آهنرباهاي نئودیمیمی رو به افزایش است.
این آهنرباهاي مستعمل میتوانند به عنوان یک منبع ثانویه مهم از نئودیمیم و دیگر عناصر با ارزش باشند که عدم توجه به موضوع بازیافت آنها میتواند در آینده تاثیر ناخوشایندي را بر تامین این عنصر با ارزش داشته باشد. چرا که در دو سال اخیر کشور چین که به عنوان بزرگترین تامین کننده نئودیمیم جهان است به دلیل قانون گذاري هاي جدید خود جلوي صادرات نئودیمیم را به دیگر کشورها و تولید کنندگان گرفته است.
همچنین آهنرباهاي نئودیمیمی به شدت قوي هستند و در صورت عدم توجه در مدیریت جمع آوري آنها آسیبهاي زیست محیطی را به دنبال دارند. به طور میانگین آهنرباي نئودیمیمی مستهلک یک هارد کامپیوتر داراي 30 درصد وزنی نئودیمیم با خلوص بالا میباشد. بنابراین تحقیق و بررسی بر روي بازیافت آهنرباهاي نئودیمیمی مستهلک و بازیابی عنصر با ارزش نئودیمیم با هدف بازیابی از یک منبع پایدار مورد توجه قرارمیگیرد. در حال حاضر تکنولوژ داخلی مبنی بر بازیابی نئودیمیم از آهنرباهاي مستهلک Nd-Fe-B و یا سیستمی براي دفع این آهنرباها وجود ندارد.
استفاده مجدد و یا بازیافت آهنرباهاي مستهلک به دلیل تشکیل ترکیبات نئودیمیم پایدار با دیگر عناصر مشکل به نظر میرسد. از آنجایی که کشورهاي پیشرفته 100 درصد نئودیمیم مورد نیاز خود را وارد کرده و همچنین به دلیل عدم وجود یک فرآیند بازیافت مناسب براي قراضه ها، ایجاد یک فرآیند و یا تکنولوژي کارآمد به منظور بازیابی نئودیمیم از آهنرباهاي مستهلک با هدف استفاده مجدد از منابع ضروري میباشد. تحقیقات موفقیت آمیز متعددي به منظور بازیافت نئودیمیم از آهنرباهاي مستهلک نئودیمیمی صورت گرفته است.
Osamu Takeda و همکارانش به بررسی استحصال نئودیمیم از آهنرباهاي درون هارد به وسیله منیزیم پرداختند و عملی بودن این روش را تحقیق کردند. این روش که بر مبناي یک روش احیایی است منیزیم - یا نقره - با کنترل دما در بالا و پایین محفظه در یک چرخه قرار گرفته و فرآیند استحصال نئودیمیم بررسی شد. دلیل استفاده از منیزیم به عنوان استخراج کننده:
1 -داراي شباهت شیمیایی قوي با نئودیمیم که تشکیل آلیاژ مایع با ویسکوزیته پایین میدهد.
2 -با آهن به سختی واکنش میدهد.
3 -فشار بخار آن 1073 درجه کلوین و حذف آن در فاز گازي راحت است.
4 -نقطه ذوب 922 درجه کلوین است و قابل بازیابی به وسیله چگالش به صورت جامد خالص است و میتوان دوباره از آن استفاده کرد .[4] نئودیمیم همچنین میتواند از یک محلول اسیدي که Nd-Fe-B از قبل به صورت یون به کمک اگزالیک اسید در آمدهاست از طریق ترسیب بازیابی شود Chumbley .[5] بهترین روش جداسازي موجود براي بازیافت آهنرباهاي Nd-Fe-B مستهلک را حل کردن آهنرباها در اسید دانسته و در ادامه به منظور استحصال نئودیمیم از محلول، از روش شیمیایی و یا احیا استفاده کرده است .[6]
اگرچه این روش با پیچیدگی بسیاري همراه است و در مقیاس صنعتی هزینه بر نیز میباشد. Wu و Zhang به مطالعه و بررسی بازیابی فلزات نادر خاکی از جمله نئودیمیم از باتريهاي نیکلی مستهلک از طریق لیچینگ با کمک اسید سولفوریک پرداختند که بازدهی بازیابی در نتایج به دست آمده 95 درصد بود .[7] فرآیند لیچینگ به طور گسترده در متالورژي استخراجی به عنوان یکی از روشهاي هیدرومتالورژي براي تبدیل فلزات به یک فاز محلول استفاده میشود. فرآیند لیچینگ به دلیل عدم ایجاد آلودگی گازي در مقایسه با روشهاي پیرومتالوژي از زیان کمتري برخوردار بوده و به راحتی اجرا میشود.
در گام بعدي به منظور حذف یونهاي فلزي از فاز محلول از فرآیند ترسیب استفاده میشود. به طور معمول فرآیند ترسیب از طریق تنظیم pH محلول و اضافه کردن مواد شیمیایی به محلول انجام میشود و یونهاي فلزي به هیدروکسید آنها و یا نمکهاي غیر قابل حل در محلول تبدیل میشوند. در پژوهش حاضر از فرآیند لیچینگ به منظور بازیابی نئودیمیم از آهنرباهاي Nd-Fe-B مستهلک استفاده کردیم. اسید سولفوریک و اسیدکلریدریک نیز به عنوان دو عامل لیچینگ بررسی شد.
همچنین به منظور بررسی بیشتر پارامترهایی از قبیل نسبت جامد به مایع - چگالی پالپ - ، زمان، غلظت عامل و دماي لیچینگ نیز مورد بررسی قرار گرفت. در نهایت و با توجه به تمرکز این پژوهش بر بازیابی نئودیمیم از یک روش ترسیب ساده هیدررومتالورژي به منظور استحصال نئودیمیم با تنظیم pH استفاده شد. در نهایت به منظور بررسی و آنالیز بر روي محصول رسوبی نئودیمیم از آنالیز پراش اشعه ایکس - XRD - استفاده شد. طبق بررسیهاي صورت گرفته این پژوهش اولین تحقیق صورت گرفته بر روي روش بازیابی نئودیمیم با خلوص بالا از آهنرباهاي مستهلک حافظه رایانهها از طریق تنظیم pH در ایران است.
-2 کار تجربی
-1-2 جمع آوري نمونه ها و مواد شیمیایی
آهنرباهاي مستهلک Nd-Fe-B مورد مطالعه در این پژوهش از رایانههاي از رده خارج موجود در انبارهاي دانشکدههاي مختلف دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی جمعآوري شد. دو عامل لیچینگ یعنی اسید سولفوریک - ٪ - 95 و اسید هیدروکلریک - ٪ - 37 و همچنین سدیمهیدروکسید به عنوان عامل ترسیب از نوع مرك آلمان خریداري شد.
-2-2 خورد کردن و مگنتزدایی
در این قسمت بعد از خارج کردن آهنرباي نئودیمیمی از حافظه رایانه با توجه به ترد بودن این آهنرباها به کمک یک روش ابداعی خوردکردن آهنرباها صورت گرفت. در ادامه به منظور از بین بردن میدان مغناطیسی آهنرباها، نمونههاي خوردشده را در کوره قرار دادیم تا دما و زمان لازم براي رسیدن به نقطه کوري بررسی شود. به این منظور طبق جدول - 1 - نمونه ها در 3 دماي مختلف و زمانهاي نگهداري متفاوت درون یک کوره الکتریکی قرارداده شد. امکان تنظیم دما و زمان نگهداري به صورت برنامه ریزي شده در کوره الکتریکی مذکور وجود داشت.
