如何使用智能设计来加强稀土回收

稀土元素 （REE） 对社会很重要，因为它们可以提高各种绿色能源、工业、医疗、航空航天和消费设备的性能。它们很稀有，因为虽然并不少见，但它们广泛分布在地壳中，通常不会以高浓度发现。

这使得它们的提取变得困难且昂贵。此外，稀土元素，尤其是镧系元素，通常一起存在于同一矿石中，并且具有许多相似的化学性质，因此在精炼过程中很难将它们分离。

这些挑战延伸到回收利用。智能产品设计可以通过结合拆卸设计、模块化设计和最大限度地减少材料种类来显着提高 REE 回收率。

可循环性和拆卸设计

除了优化生产效率和大规模定制外，工业 4.0 还越来越注重支持循环经济。智能设计是关键，包括制造、装配、拆卸和其他因素（如增材制造）的设计（图 1）。人们越来越意识到拆卸设计 （DfD） 的重要性。

图 1.DfD 是支持循环经济和 REE 回收的方法之一。图片来源：International Journal of Production Research)

国际标准化组织 （ISO） 发布了多项与可持续性和循环经济相关的标准。与回收相关的关键标准是 ISO 59014，它提供了一种标准化方法，以确保二次材料回收的可持续性和可追溯性。

DfD 使设备更易于维修、升级和回收。它有助于优化 REE 回收并符合 ISO 59014 标准。DfD 的概念已扩展到装配和拆卸设计 （DfAD）。

拆卸有两种常见的过程，破坏性拆卸和非破坏性拆卸。破坏性拆卸侧重于材料的回收和再循环，而非破坏性拆卸侧重于部件或子组件的修复或恢复。

稀土回收

目前有几种技术用于 REE 回收。它们包括湿法冶金（将合金溶解在酸中）、火法冶金（高温工艺）、液液萃取（使用溶剂分离稀土）和直接回收（组件的拆卸和再利用）。在各个开发阶段，更环保的方法包括细菌酸浸出和铜盐浸出（图 2）。

图 2.有几种回收技术可用于支持 REE 和其他有价值材料的可持续循环使用。（图片：整体环境科学)HDD 磁体的无酸溶解回收

某些细菌会产生有机酸，用于溶解 REE 以进行回收。这些有机酸比传统上使用的强酸对环境的破坏更小，但已经开发了一种基于铜盐浸出的新型无酸溶解方法。

已经建立了一个试点工厂，使用铜盐浸出来回收硬盘驱动器 （HDD）。该工厂已用于回收约 50,000 磅的报废 HDD 碎屑、安装盒和其他材料。除了稀土元素外，该工艺还可以提取和回收金、铜、铝和钢等金属。改进的 HDD 设计，针对回收进行优化，可以提高这种方法的经济性。

对成分的仔细分离使工厂能够回收约 80% 的原料质量。此外，根据生命周期分析，与传统的 REE 开采和加工相比，该工艺可减少约 95% 的温室气体排放。

铜盐浸出对于从废磁体或磁体切屑等材料中分离稀土元素特别有用（图 3）。然而，回收某些类型的含 REE 材料的效率可能较低，并且它仍然会产生必须处理的有毒废物流和排放物。

图 3.铜盐浸出可以支持将 REE 磁铁废料循环回收成新的磁铁。（图片：施普林格·自然）)总结

智能设计，如 DfD 和 DfAD，支持循环经济，包括稀土的回收。ISO 59014 提供了一种标准化方法，以确保二次材料回收的可持续性和可追溯性，并且可以成为量化智能产品设计结果的重要工具。智能设计不仅限于产品设计和生产，还包括使用最环保和最具成本效益的稀土回收方法，包括铜盐浸出等新兴技术。