從左至右，研究人員 Syed Islam 和 Ramesh Bhave 讨論了使用他們在 ORNL 共同發明的膜溶劑萃取工藝從報廢锂離子電池中回收的硫酸鎳。圖檔來源：Carlos Jones/ORNL，美國能源部
由美國能源部關鍵材料創新中心（CMI）的研究人員在橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）率先推出的一項關鍵材料回收技術最近獲得了《先進工程材料》（Advanced Engineering Materials）雜志的特别認可，相關研究項目獲得了新階段的研發資金。
該雜志選擇了一篇關于該技術的論文，以收集過去一年中發表的最傑出的文章。這篇文章刊登在該雜志的封面上，解釋了研究人員如何應用該團隊的膜溶劑萃取（MSX）方法從電子廢物中取出的廢永磁體中回收、分離和純化稀土元素或稀土。
永磁體即使在沒有感應場或電流的情況下也能保持磁性，廣泛用于清潔能源和國防應用。稀土很難獲得，因為它們分散在地殼中，但它們是許多現代技術的關鍵組成部分。回收的稀土可用于制造新的永磁體，加速化學反應，并在作為合金成分時改善金屬的性能。
“編輯們之是以選擇這篇論文，是因為它展示了該過程的可擴充性和安全、長期性能，”ORNL科學家Syed Islam說，他共同發明了回收方法并上司了合作擴大規模的努力。“我們的工業合作夥伴Momentum Technologies對所有投入進行了技術經濟分析，提取了化學品、膜和材料的使用壽命。此外，他們還驗證了該工藝以高于 99.5% 的純度回收了超過 95% 的稀土産品。
ORNL的Ramesh Bhave建立了自動控制系統，用于調節膜溶劑萃取過程中進料溶液的pH值，以實作關鍵材料回收。圖檔來源：Carlos Jones/ORNL，美國能源部
ORNL的拉梅什·巴韋（Ramesh Bhave）是該項目自2013年開始以來的首席研究員，也是該技術的共同發明者，他評論了該文章的非凡徹底性。“它讨論了過程的各個方面以及結果，是以讀者可以得到一個完整的故事，”他說。“我們從這項研究中獲得了足夠的資訊，可以發表許多論文，但希望確定提供內建過程，以便讀者可以看到它如何适用于大量回收材料。
高效、多功能的回收
該工藝使用由價格低廉且市售的聚合物中空纖維膜組成的子產品。
在該過程的第一步中，廢磁鐵被壓碎并溶解在無機酸中。然後将所得溶液連續送入膜中，稀土被萃取劑選擇性地去除并形成所謂的複合物。
該複合物穿過膜，與分離稀土的溶液相遇，形成豐富的溶液，轉化為稀土氧化物粉末，适用于廣泛的工業應用。鐵是一種非稀土，作為副産品單獨收集。
“與基于濕法冶金的溶劑萃取等替代方案相比，我們的 MSX 方法使用的化學品更少，成本降低了 100 倍，”Bhave 說。“該技術還具有其他優勢：它是可擴充的，可以在低溫和低壓下工作。它回收酸和水，并産生最少的廢物，以促進循環經濟。MSX需要較低的資本和營運成本。此外，它堅固耐用，用途廣泛，能夠處理各種複雜的原料。原料是回收過程的原材料。
為了證明膜溶劑萃取技術在工業上具有高度可擴充性，研究人員使用膜溶劑萃取技術從廢舊永磁體中回收了大量稀土氧化物。圖檔來源：Carlos Jones/ORNL，美國能源部
純回收，無縫再利用
Bhave表示，MSX可以回收和再循環高純度的陰極活性材料，以滿足制造商對新産品創造的特定要求。正極活性材料是锂離子電池結構的重要組成部分，負責電流的流動和能量存儲。
研究人員已經證明，通過調整化學成分并在他們的技術中增加階段，他們可以從電池廢料中單獨分離和回收钴、鎳和锂。
為了向該項目提供必要的原材料，Momentum Technologies從電動汽車系統和手機等報廢物品中取出锂離子電池，并将它們壓碎在一起，形成一種稱為黑色物質的粉末，并将其送入回收過程。單個關鍵元素——钴、鎳和锂——分階段從黑色物質中去除。
“該工藝産生的純度超過99%的材料可以與我們的行業合作夥伴一起組合成新的锂離子電池，”Islam說。“同樣，與稀土回收的情況一樣，我們方法的一個主要優勢是可擴充性。例如，如果特定産品對電池金屬回收的需求突然增長，則可以增加膜元件的數量以獲得更大的産量。
從左至右，ORNL膜分離技術團隊包括Zachary Coin、Syed Islam、Mary Hannah Irwin、Ramesh Bhave、Larry Powell、Shailesh Dangwal和Blake Trusty。圖檔來源：Carlos Jones/ORNL，美國能源部
提升能力，協作
關鍵材料回收項目跨越了CMI資助的兩個五年階段。10月，CMI的資金又延長了五年，這将使該項目能夠繼續以新的重點進行。現在，這項工作旨在開發和推進重稀土與輕稀土的分離，并為新技術創造知識産權和專利。
這兩類稀土具有不同的特性和應用，在各自的工業意義和經濟價值中起着至關重要的作用。Momentum Technologies已獲得該團隊從輕稀土中去除重稀土的技術許可。此外，CMI的資金支援該團隊研究在采礦作業期間提取的材料上使用他們的方法。
Caldera Holding LLC是密蘇裡州Pea Ridge礦的所有者和開發商，已與ORNL簽訂了一項非獨家研發許可協定，以應用MSX方法将稀土與混合礦石分離。豌豆嶺礦是完全允許的，含有大量的铽、镝、钬和其他重稀土，這些稀土對各種技術和工業應用至關重要，包括電動汽車發動機和美國國家安全的先進防禦系統。
ORNL 的 Syed Islam 稱量從報廢锂離子電池中回收的硫酸鎳，以确定關鍵材料回收過程的産量和效率。Carlos Jones/ORNL，美國能源部
此外，ORNL科學家開發的六項技術已授權給一家專注于從石油和天然氣鑽井産生的廢水中提取锂的公司。
锂離子電池為電動汽車、消費電子和國防技術提供動力，并為國家電網提供儲能。開發國内锂資源，包括原锂和精煉锂，對美國經濟至關重要。未來十年，全球锂離子電池市場預計将增長 5 至 10 倍。
ORNL還在探索與Cirba Solutions的戰略合作項目。Cirba Solutions 從《兩黨基礎設施法》中獲得了 7500 萬美元和 1000 萬美元的贈款，用于擴建和更新其位于俄亥俄州蘭開斯特的锂離子回收設施。
此外，關鍵材料研究團隊與ORNL和Momentum Technologies合作，計劃應用兩黨基礎設施法的資金，為Cirba Solutions和ORNL的電氣化和能源基礎設施部門提供回收的锂離子電池材料。
這項研究的技術也有望幫助建立國家用于航空航天和國防應用的關鍵材料庫存。
這裡展示的是一種稀土氧化物，其純度最低，可以制造新的永磁體。圖檔來源：Carlos Jones/ORNL，美國能源部
重要的支援，有效的夥伴關系
MSX的研發得到了技術商業化基金、美國能源部先進材料和制造技術辦公室（AMMTO）和工業許可證持有者Momentum Technologies，Inc.的支援。
CMI尋求加速創新的科學和技術解決方案，為稀土金屬和其他對清潔能源技術成功至關重要的材料開發有彈性和安全的供應鍊。自 2013 年 CMI 成立以來，ORNL 為這些努力提供了戰略方向。這一貢獻包括為重點領域和項目提供上司者，這些領域和項目在鋁铈合金和磁鐵回收方面開發了新的創新。