Seltene Erden

Question 1

Rare earth elements (REE)

Answer 1

• Gruppe von 17 chemischen Elemente im Periodensystem, und zwar die fünfzehn Lanthaniden plus Scandium und Yttrium.
• Wichtig für die Herstellung von elektronischen Geräten aufgrund besonderer chemischer und physikalischer Eigenschaften.
• Trotz ihres Namens sind die Seltenen Erden (mit Ausnahme des radioaktiven Promethiums) relativ häufig in der Erdkruste vorhanden
• Dabei ist Cerium mit 68 Teilen pro Million (ähnlich wie Kupfer) das 25. häufigste Element.
• Aufgrund ihrer geochemischen Eigenschaften sind die Seltenen Erden typischerweise dispergiert und kommen nicht oft konzentriert als Seltene Erden-Mineralien in wirtschaftlich abbaubaren Erzlagerstätten vor  Gerade die Seltenheit dieser Minerale (früher “Erden” genannt) führte zu dem Begriff “Seltene Erde”
• Unterscheidung in leichte, mittlere und schwere REE

Question 2

Vorkommen und Produktion von REE

Answer 2

• Am größten in China (55 Mio. t), Gemeinschaft Unabhängiger Staaten (GUS) (19 Mio. t), U.S.A. (13 Mio. t), Kanada (8 Mio. t), Indien (3,1 Mio. t), Australien (1,6 Mio. t)

Question 3

Wichtige REE-Erze

Answer 3

• Die wichtigsten Lagerstätten von REE-Erzen in den USA, Australien und China bestehen hauptsächlich aus zwei Arten von Mineralien: Bastnäsite und Monazite
• Durchschnittlicher REE-Gehalt 3-7% als Oxide in den Erzen, hohe Variation

Question 4

Forth-Flotation

Answer 4

Verfahren zur selektiven Abtrennung hydrophober Materialien von hydrophilen.

Question 5

Reduktion

Answer 5

• Herstellung von abgetrennten REE-Fluoriden, -Chloriden oder -Oxiden
• Reduktionsverfahren
  o Salzschmelzen-Reduktion
  o Vakuumreduktion mit Lithium, Magnesium und Calcium

Question 6

Fazit der Primärproduktion

Answer 6

Fazit der Primärproduktion

• Hauptrisiken der Primärproduktion sind Tailings, die ein Gemisch aus kleinteiligen Partikeln, Abwässern und Flotationschemikalien sind und bei der Aufkonzentrierung des abgebauten Erzes anfallen. Sie werden in Aufhaldungsbereichen gelagert.
• Aufwendige Aufbereitung erforderlich. Manchmal reicht Mischmetall” für die Industrie aus und spart Kosten.
• Aufgrund der hohen Nachfrage nach Seltenen Erden und der sinkenden chinesischen Exporte gibt es viele Aktivitäten, die auf die Eröffnung neuer Minen außerhalb Chinas abzielen.

Question 7

Anwendung von REE

Answer 7

1. Phosphor:
   - Eu, Tb, Y
   - Leuchtstofflampen, Kompaktleuchtstofflampen, LEDs, LCD-Hintergrundbeleuchtung, Plasma-Bildschirme, Kathodenstrahlröhren (CRT)
2. Wiederaufladbare Batterien:
   - La, Ce, Nd, Pr
   - Nickel-Metall-Hybrid-Batterien
3. Permanent NdFeB magnets:
   - Nd, Dy, Tb, Pr
   - Mobiltelefone, Festplattenlaufwerke, Computer und Peripheriegeräte, elektrische und elektronische Konsumgüter

Question 8

Recycling von REE: Status quo

Answer 8

• Hohe Lagerstättenkonzentration in China

- Äußerst geringe Recyclingraten

Question 9

Verteilungsdiagramm für die Kupferverhüttung

Answer 9

• die REE sind leicht oxidierbar  wir finden sie in der Schlackenphase

Question 10

Recycling von Seltenerdelementen

Answer 10

• REE, die nicht in pyrometallurgischen Standardprozessen gewonnen werden können, wie
  o Cu, Sn, Pb, Zn, Ni, Cr, Mn, Fe, Al, Ti Routen
  o Aber Aufkonzentrierung in Schlacken möglich
  o Hauptsächlich nur Abtrennung aller RE auf einmal
• Hydrometallurgie kann REE abtrennen
• Kombination von Pyro- und Hydrometallurgie kann eingesetzt werden

Question 11

Bestand und Bedarf an Neodym im Einsatz

Answer 11

stark wachsende Nachfrage Neodym

Question 12

NdFeB Magenten in Festplattenlaufwerke – Hard disk drives (HDD) - Zusammensetzung

Answer 12

• Die Zusammensetzung hängt von der beabsichtigten funktionalen Verwendung ab
• Ein durchschnittlicher Spindelmotormagnet in Festplattenlaufwerken besteht aus:
  Eisen (63%), Kupfer (1,5%), REE (27,1%): Nd Neodym (23%), Praseodym (2,8%), Dy, Sm, Tb

Question 13

Rückgewinnungsprozess Magneten (Pyrometallurgisch)

Answer 13

1. Umschmelze
2. Metall/Schlacke-Trennung
3. Flussmittelentfernung/Veredelung

Question 14

Vergleich Recyclingstrategien NdFeB-Magnete

Answer 14

1. Direkte Wieder-verwendung in aktueller Form/Gestalt
2. Wiederauf-bereitung von Legierungen zu Magneten
3. Pyrometal-lurgische Verfahren
4. Hydrometa-llurgische Verfahren

Question 15

Recyclingstrategien NdFeB-Magnete: Vor- & Nachteile Direkte Wiederverwendung

Answer 15

+Wirtschaftlichste Art des Recyclings (geringer Energieaufwand, kein Verbrauch von Chemikalien)
+kein Abfall erzeugt

• Nur für große, leicht zugängliche Magnete (Windkraftanlagen, große Elektromotoren und Generatoren in Hybrid- und Elektrofahrzeugen)
• Heute nicht in großen Mengen im Schrott verfügbar

Question 16

Recyclingstrategien NdFeB-Magnete: Vor- & Nachteile Wiederaufbereitung

Answer 16

+geringerer Energieaufwand als bei hydrometallurgischen und pyrometallurgischen Routen
+kein Abfall entsteht
+besonders geeignet für Festplattenlaufwerke (geringe Änderung der Zusammensetzung über die Jahre)

• Nicht anwendbar für gemischten Schrott, der Magnete mit großen Schwankungen in der Zusammensetzung enthält
• nicht anwendbar für oxidierte Magnete

Question 17

Recyclingstrategien NdFeB-Magnete: Vor- & Nachteile pyrometallurgische Verfahren

Answer 17

+Generell einsetzbar für alle Arten von Magnetzusammensetzungen
+kein Anfall von Abwasser
+weniger Verarbeitungsschritte als hydrometallurgische Verfahren
+Direktes Schmelzen ermöglicht die Gewinnung von Vorlegierungen
+Flüssige Metallextraktion ermöglicht die Gewinnung von REEs im metallischen Zustand

-Größerer Energieaufwand erforderlich
-Direktes Schmelzen und Flüssigmetallextraktion können nicht auf oxidierte Magnete angewendet werden
Elektroschlacke-Raffination und das Glasschlacke-Verfahren erzeugen große Mengen an festen Abfällen

Question 18

Recyclingstrategien NdFeB-Magnete: Vor- & Nachteile hydrometallurgische Verfahren

Answer 18

+Generell anwendbar auf alle Arten von Magnetzusammensetzungen
+Anwendbar auf nicht oxidierte und oxidierte Legierungen
+Gleiche Verarbeitungsschritte wie bei der Gewinnung von Seltenen Erden aus Primärerzen

• Viele Prozessschritte vor der Gewinnung neuer Magnete erforderlich
• Verbrauch von großen Mengen an Chemikalien
• Erzeugung großer Mengen an Abwasser

Question 19

Recycling von Phosphor(-lampen)

Answer 19

• Zusammensetzung je nach vorgesehenem Funktionseinsatz (LED, CRT, Lampenphosphor)
• Zusammensetzung der Funktionseinheiten selten in der Literatur/Forschungsunterlagen angegeben

Question 20

Recyclingverfahren für Lampenleuchtstoffe

Answer 20

1. Direkte Wiederverwendung
2. Gewinnung des REE-Gehalts
   (Hydrometallurgischer Prozess)

Question 21

Recyclingverfahren für Lampenleuchtstoffe: Vor- & Nachteile - Direkte Wiederverwendung

Answer 21

+ Einfache und schnelle Methode
+ nur physikalische Bearbeitung erforderlich

• Nur für einen Typ von Leuchtstofflampen mit der gleichen Art von Phosphormischungen geeignet
• Phosphore verschlechtern sich über die Lebensdauer der Lampe

Question 22

Recyclingverfahren für Lampenleuchtstoffe: Vor- & Nachteile - Gewinnung des REE-Gehalts
(Hydrometal-lurgischer Prozess)

Answer 22

+Generell geeignet für alle Arten von Phosphormischungen
+Gleiche Verarbeitungsschritte wie bei der Gewinnung von Seltenen Erden aus Primärerzen
+Gewinnung reiner Seltenerdoxide (4N-5N)

• Langwieriger Prozess zur Gewinnung neuer Lampenleuchtstoffe
• Große Mengen an Chemikalien werden verbraucht
• Große Mengen an Abwasser müssen aufbereitet werden

Question 23

Vor - & Nachteile Hydrometallurgische Prozesse

Answer 23

+Geringe Investitionskosten
+Recycling verschiedener Abfallfraktionen (Kathoden- und Anodenmaterial, Metalle aus dem Gehäuse) möglich, die separat vermarktet werden können

• Viele manuelle Arbeitsschritte sind für die Demontage der Batterien und die Trennung der verschiedenen Komponenten erforderlich
• Großer Verbrauch von Chemikalien

Question 24

Vor - & Nachteile Pyrometallurgische Prozesse

Answer 24

+ausgereifte Technologie
+Energierückgewinnung aus Kunststoffgehäusen und anderen organischen Bestandteilen
+Gleiche Prozessschritte zur Gewinnung von REEs aus Schlacken wie aus Primärerzen

• Hohe Investitionskosten für die Öfen
• REEs müssen aus Schlacken extrahiert werden
• REEs werden als Gemisch gewonnen und eine weitere Trennung ist erforderlich

Question 25

Allgemeine Schlussfolgerung zum aktuellen Recycling von REE

Answer 25

• Derzeit werden nur wenige industrielle Recyclingaktivitäten für Seltene Erden durchgeführt.
• Bislang gibt es kein großtechnisches Recycling von Seltenen Erden aus Magneten, Leuchtmitteln (und Batterien)
• Recyclingprozesse für Seltene Erden sind recht komplex und aufwendig, wenn eine Wiederverwendung nicht möglich ist
• die wichtigsten Post-Consumer-Aktivitäten - das Recycling von Seltenen Erden aus Motoren und Festplatten und anderen elektronischen Komponenten - erfordern eine intensive Demontage.

Question 26

Warum ist es wichtig, legierungsspezifische Sorten zu trennen?

Answer 26

Seltene Erden (REE) werden zunehmend für viele verschiedene Hochtechnologieanwendungen wie Laser, optische Fasern, Röntgenfilme und Supraleiter verwendet. Dies sind hochpräzise Maschinen und Produkte.

Question 27

Was sind Strategien, um die Umweltauswirkungen der REE-Produktion zu reduzieren?

Answer 27

Recycling ist ein attraktiver Weg angesichts der steigenden Preise für Seltene Erden in Verbindung mit den jüngsten Exportbeschränkungen durch China. Der Weg zum Recycling kann ein geschlossener Kreislauf sein, d.h. die Rückgewinnung der ursprünglichen RE-Legierungen mit minimalem Verlust der Eigenschaften für ähnliche Anwendungen. Ein solches direktes Recycling hat jedoch seine Herausforderungen beim Sammeln, Sortieren und Trennen der Komponenten sowie beim Finden geeigneter Prozesse. Ein offener Recyclingkreislauf, bei dem die REEs aus den Legierungen zur Verwendung in anderen Anwendungen zurückgewonnen werden können, ist ebenfalls realisierbar.

Aufgrund der Umwelt-, Kosten- und Versorgungsprobleme wurden in letzter Zeit viele Forschungs- und Entwicklungsstudien initiiert, um entweder die Menge des REE-Einsatzes in einer bestimmten Anwendung zu reduzieren oder um alternative und weniger schädliche Materialien als Ersatz für ein bestimmtes REE zu finden.

Übersetzt mit www.DeepL.com/Translator (kostenlose Version)

Question 28

Was bestimmt den Bedarf an Chemikalien in der REE-Produktion?

Answer 28

Die Ebene der hydrophoben Materialien, weil es das ist, was wir mit der “Froth flotation” trennen wollen

Question 29

Wie beeinflusst das Recycling den Energie-/Chemikalienverbrauch und die Abfallproduktion?

Answer 29

Die Recycling-Prozesse der Hydrometallurgie und Pyrometallurgie erfordern einen hohen Energieeinsatz aufgrund der Anzahl der erforderlichen Schritte, bevor neue Magnete gewonnen werden können.

Bei der Hydrometallurgie fallen aufgrund des Verbrauchs von Chemikalien große Mengen an Abwasser an.

Bei der Pyrometallurgie fallen aufgrund der Elektroschlackenveredelung und des Glasschlackenverfahrens große Mengen an festen Abfällen an.

Question 30

Welche Prozesse werden zur Aufbereitung eingesetzt

Answer 30

Der Aufbereitungsprozess verändert nicht die chemische Zusammensetzung des Erzes; vielmehr sollen diese Prozesse das Mineralerz aus dem Wirtsmaterial befreien.

Question 31

Welche Rohstoffe werden in diesem Prozess verwendet?

Answer 31

Erz und Flüssigkeit für die Flotation

Question 32

Welche Umweltprobleme sind mit dem Prozess verbunden?

Answer 32

Schlacken
Luft: Staub* VOCs
Wasser: Radiologische Stoffe, Metalle, organische Stoffe, AMD, Trübung

• Zusätzlich zu den Gefahren durch luftgetragene Partikel (z. B. Auswirkungen auf die Atemwege) kann ein Teil des Staubs eine radiologische und metallische Kontamination enthalten.

Question 33

Welche Materialien könnten als kritisch angesehen werden und warum?

Answer 33

• Erklärte REE als Beispiel und wie sie in der Elektronik und in der erneuerbaren Energieindustrie verwendet werden
  Energieindustrie
• Steigende Nachfrage, die weiter zunehmen wird
• Sie werden in wenigen Gebieten abgebaut

Question 34

1. Fallstudie: REE in Festplattenmagneten

Answer 34

• Zielmetall: Dysprosium, Praseodym, Neodym
• Zielkomponente: Magnete (nicht einfach zu demontieren -> schwieriges Recycling)
• Normalerweise werden Festplatten zerkleinert (auch für Datenschutz), nach der Zerkleinerung sind Komponenten eher in schlechter Qualität, bisher gibt es keine Rückgewinnung von magnetischem Material

Recyclingorientierte Charakterisierung:

• Variationen in der Legierungszusammensetzung
• Ergebnis: Hauptbestandteile sind Eisen (65%) , Neodym (25%)
• Außerdem Nickel für Beschichtung;
• Neodymiun kann durch Prasidyium ersetz werden
• Dyprosium: (Preisunterschied von Neodymiun und Dyprosium von dem Faktor 10, deswegen wird versucht möglichst wenig Dyprosium zu verwenden); Dyprosium mach hitzebeständig deswegen erhöhter Einsatz bei Spindlemagnet, dort wird es wärmer, geringer Einsatz bei Schwingspulen-Magnet

Demontage-Barriere
- Festplatten sind verschraubt, verklebt, ect  kompliziert zu Zerkleinern

Standardisierung

• Festplattenlaufwerke können unterschiedliche Ausführungen haben
• Abmessungen, Positionen von Spindelmotor, Schwingspulenantrieb usw. sind in der Regel gleich

Design von Magnetlagerkomponenten
- Magneten sind z.B. an Stahlgehäuse geklebt  nur durch Hitzeeinsatz trennbar, und durch Hitze entmagnetisiert sich wiederum der Magnet, Wiederverwendung ist damit ausgeschlossen

Innerer Wert von 3,5’‘-Festplattenlaufwerken
- Verteilung des inneren Wertes in %: Gibt Masse im Verhältnis zum ökonomischen Wert an  Edelmetalle haben größten Anteil mit 80% (aber im Massenverhältnis nur 0,03%)

Schlussfolgerung

• Festplattenlaufwerke werden in der Regel vom WEEE-Strom/Fluss getrennt und können in spezifischen Prozessen verarbeitet werden.
• Aus Magneten des Spindelmotors können aufgrund hoher Dysprosium-Gehalte hohe Erlöse erzielt werden
• Recycling-Prozesse können von einem weitgehend standardisierten Design in Bezug auf Abmessungen, Positionen der Magnete etc. profitieren. Darauf aufbauend können mechanische Öffnungsverfahren oder Stanzansätze eingesetzt werden.
• Magnet kann Verunreinigungen tragen, die möglicherweise hydro- und pyrometallurgische Rückgewinnungsprozesse beeinflussen: Gebundenes Stahlblech (Legierungsstoffe), Beschichtung von Magneten (Ni, Cu, Zn)