HDAD-Verfahren zum Recycling von NdFeB-Magneten

Einleitung

Seltene Erden (Rare Earth Elements, REEs) wie Neodym (Nd) und Dysprosium (Dy) sind essenziell für moderne Technologien, insbesondere im Bereich der erneuerbaren Energien, etwa in Windkraftanlagen, Elektrofahrzeugen und der Elektronik. NdFeB-Magnete (Neodym-Eisen-Bor), bekannt für ihre außergewöhnlichen magnetischen Eigenschaften, gehören zu den wichtigsten Einsatzgebieten dieser REEs (Habibzadeh et al., 2023). Da die Versorgung mit REEs geopolitischen Risiken unterliegt, ist das effiziente Recycling von ausgedienten (End-of-Life, EoL) NdFeB-Magneten von hoher Priorität (Walton et al., 2015).

Was ist das HDAD-Verfahren?

Das HDAD-Verfahren (Hydrogen Decrepitation and Absorption-Desorption) ist eine äußerst effektive Methode zum Recycling von NdFeB-Magneten. Diese Methode, ein Teilprozess des Wasserstoffverfahrens für magnetischen Schrott (Hydrogen Processing of Magnetic Scrap, HPMS), nutzt Wasserstoffgas, um NdFeB-Magnete in ein feines, wiederverwendbares Pulver zu zersetzen (Walton et al., 2015). Das HDAD-Verfahren ist bekannt für seine Effizienz, Skalierbarkeit und Umweltfreundlichkeit.

Wie funktioniert das HDAD-Verfahren?

1. Wasserstoff-Decrepitation (HD)

In dieser Phase werden NdFeB-Magnete unter kontrollierten Bedingungen Wasserstoffgas ausgesetzt. Die Wasserstoffatome dringen in die Nd-reichen Bereiche des Magneten ein und bilden Neodymhydrid (NdH₂). Diese Reaktion erzeugt innere Spannungen, die den Magneten in ein feines, entmagnetisiertes Pulver zerfallen lassen (Habibzadeh et al., 2023; Xia et al., 2017). Optimale Bedingungen für diese Phase liegen bei etwa 120 °C und 1000 mbar Wasserstoffdruck (Walton et al., 2015).

2. Dehydrierung (DA)

Nach der Decrepitation wird das hydrierte Pulver in einer Vakuum- oder Schutzgasatmosphäre erhitzt, um den aufgenommenen Wasserstoff zu entfernen. Das Ergebnis ist ein feines, wasserstofffreies NdFeB-Pulver, das zur Weiterverarbeitung oder zur Herstellung neuer Magnete bereit ist (Walton et al., 2015; Bernstein et al., 2022).

Wichtige Einflussfaktoren im HDAD-Prozess

• Temperatur: Optimale Decrepitation bei 100–150 °C; Dehydrierung erfolgt meist bei 350–800 °C (Walton et al., 2015).
• Druck: Effektiver Wasserstoffdruck für die Decrepitation liegt zwischen 500 und 2000 mbar (Habibzadeh et al., 2023).
• Vakuumniveau: Ein hohes Vakuum (1×10⁻⁵ mbar) beschleunigt die Wasserstoffentfernung.
• Materialzusammensetzung: Die Legierungszusammensetzung, insbesondere der Gehalt an schweren REEs wie Dy, beeinflusst die Wasserstoffaufnahme.
• Zyklusdauer: Die Optimierung von Temperatur, Druck und Vakuum minimiert die Prozessdauer.

Vorteile des HDAD-Verfahrens

• Energieeffizient: Hohe Pulverausbeuten bei minimalem Energieverbrauch (Walton et al., 2015).
• Selektives Recycling: Wasserstoff greift gezielt Nd-reiche Phasen an, ohne andere Metalle zu beeinträchtigen (Habibzadeh et al., 2023).
• Skalierbarkeit: Sowohl im Labor- als auch im industriellen Maßstab anwendbar.
• Umweltfreundlich: Es werden keine giftigen Chemikalien eingesetzt.

Herausforderungen und Einschränkungen

• Oberflächenbeschichtungen: Magnete mit Ni-, Zn- oder Ni-Cu-Ni-Beschichtungen erfordern eventuell eine Vorbehandlung, um den Wasserstoffzutritt zu ermöglichen (Walton et al., 2015).
• Sauerstoffverunreinigungen: Hohe Sauerstoffgehalte können Nd₂O₃ bilden, was die magnetischen Eigenschaften verschlechtert.
• Prozesskontrolle: Eine präzise Steuerung von Temperatur, Druck und Vakuum ist entscheidend (Habibzadeh et al., 2023).

Zukunftsperspektiven für HDAD

Das HDAD-Verfahren entwickelt sich stetig weiter. Aktuelle Forschung konzentriert sich auf:

• Fortschrittliche Automatisierung: Präzisere Steuerung von Druck und Temperatur.
• Selektive Rückgewinnung von Legierungen: Effizientere Verfahren zur Rückgewinnung von Nd, Dy und anderen REEs.
• Hybride Recyclingtechniken: Kombination des HDAD-Verfahrens mit anderen Methoden zur Effizienzsteigerung.
• Erweiterte Anwendungen: Anpassung des Verfahrens auf weitere REE-Magnete jenseits von NdFeB.

Fazit

Das HDAD-Verfahren ist eine äußerst effektive und umweltfreundliche Methode zum Recycling von NdFeB-Magneten. Durch Optimierung der Prozessparameter können hohe Ausbeuten an feinem, wiederverwendbarem NdFeB-Pulver erzielt werden. Diese Technologie ist entscheidend für ein nachhaltiges Recycling seltener Erden und reduziert den Bedarf an Primärrohstoffen.

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Referenzen

• Habibzadeh, A., Küçüker, M. A., & Gökelma, M. (2023). Review on the parameters of recycling NdFeB magnets via a hydrogenation process. ACS Omega, 8(20), 17431–17445. https://doi.org/10.1021/acsomega.3c00299
• Walton, A., Yi, H., Rowson, N. A., Speight, J. D., Mann, V. S. J., Sheridan, R. S., Bradshaw, A., Harris, I. R., & Williams, A. J. (2015). The use of hydrogen to separate and recycle neodymium–iron–boron-type magnets from electronic waste. Journal of Cleaner Production, 104, 236–241. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.05.033
• Xia, M., Abrahamsen, A. B., Bahl, C. R. H., Veluri, B., Søegaard, A. I., & Bøjsøe, P. (2017). Hydrogen Decrepitation Press-Less Process recycling of NdFeB sintered magnets. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 441, 55–61. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.01.049
• Bernstein, P., Xing, Y., Dubus, J.-M., Rivoirard, S., & Noudem, J. (2022). Investigating the properties of recycled NdFeB magnets. The European Physical Journal Special Topics, 231(18–19), 4179–4183. https://doi.org/10.1140/epjs/s11734-022-00662-y

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