Développement d'un procédé hydro-pyrométallurgique pour le recyclage d'aimants permanents

Development of a hydro-pyrometallurgical process for the recycling of permanent magnet

• Auteur / Autrice : Nicolas Stankovic
• Direction : Alexandre Chagnes, Thibault Quatravaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 12/09/2024
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
• Jury : Président / Présidente : Hervé Muhr
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexandre Chagnes, Thibault Quatravaux, Sylvie Delpech, Jean-Christophe Gabriel, Sophie Rivoirard, Gilles Philippot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sylvie Delpech, Jean-Christophe Gabriel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métaux -- Traitement thermique

Hydrométallurgie

Terres rares

Recyclage

Aimants permanents

Mots clés libres

Hydrométallurgie

Recyclage

Terres rares

Aimants

Pyrométallurgie

Pyrometallurgy

Magnets

Recycling

Rare-Earth elements

Hydrometallurgy

Résumé

Les activités humaines sont à l'origine de graves problèmes environnementaux tels que le changement climatique et la pollution. La transition vers les sources d'énergie renouvelables et l'électrification des transports sont essentielles pour réduire les émissions de carbone. L'énergie éolienne et les véhicules électriques jouent un rôle crucial dans cette transition et nécessitent des aimants permanents fabriqués à partir de terres rares telles que le néodyme et le dysprosium. Toutefois, l'approvisionnement en ces métaux est limité par des questions géopolitiques et environnementales. Le développement d'une chaîne de recyclage des aimants usagés en Europe est essentiel pour garantir un approvisionnement durable, réduire les dépendances externes et soutenir les technologies vertes et la stabilité économique. Ce rapport étudie deux voies de recyclage : L'extraction de métal liquide et un processus hydrométallurgique axé sur les étapes de lixiviation et de purification. Dans le processus d'extraction du métal liquide, les aimants NdFeB sont immergés dans du magnésium liquide, ce qui permet aux éléments des terres rares de se diffuser dans le métal liquide. Le dispositif expérimental comprend un système de chauffage et un réacteur à capsule scellée pour assurer un contrôle optimal de la température. La zone de diffusion, où les éléments de terres rares se sont diffusés dans le métal liquide, est analysée à l'aide du SEM-EDS. L'analyse de la composition élémentaire est effectuée à l'aide de l'EPMA pour déterminer la teneur en éléments de terres rares dans les zones appauvries des aimants. L'étude a permis d'extraire 88,07 % du néodyme après 50 minutes de traitement. La voie hydrométallurgique implique un processus de lixiviation détaillé. Les aimants NdFeB usagés subissent une oxydation thermique pour préparer le matériau à la lixiviation, ce qui améliore la sélectivité en modifiant la composition chimique. La poudre oxydée est ensuite immergée dans de l'acide dans des conditions contrôlées. La caractérisation est effectuée par SEM-EDS et XRD, et les résultats sont analysés par MP-AES pour déterminer l'efficacité de la lixiviation. Le processus de lixiviation a produit une solution de liqueur prégnante contenant 18,51 g/L de néodyme dans les conditions suivantes : concentration de HCl = 0,5 mol.L-1, température de lixiviation = 93 °C, température de grillage = 850 °C pendant 6 heures ; S/L = 100 g/L, agitation = 500 tours/minute. L'étape de purification utilise l'extraction liquide-liquide, transférant les ions métalliques de la phase aqueuse à la phase organique. L'étude a porté sur différents extractants et conditions. Des extractants uniques et des solvants synergiques ont été testés, ce qui a donné une faible efficacité d'extraction du néodyme (~10%) mais des efficacités élevées pour le dysprosium et le gadolinium (>80%). La stratégie finale visait à conserver le néodyme dans le raffinat, produisant 16,03 g/L de néodyme avec un minimum d'impuretés en utilisant les conditions suivantes : 1 mol.L-1 D2EHPA+TBP (rapport molaire 1) dilué dans du kérosène, à pH d'équilibre, rapport volumétrique phase organique/phase aqueuse = 1, temps d'agitation = 30 minutes, température d'agitation = 25°C. Le rapport est complété par une évaluation du cycle de vie comparant les impacts environnementaux des processus de recyclage hydrométallurgique et pyrométallurgique des aimants NdFeB. La voie pyrométallurgique s'est révélée être la meilleure option pour produire du néodyme métallique à partir d'aimants recyclés, avec des impacts six fois inférieurs à ceux de la voie conventionnelle et 3,4 fois inférieurs à ceux de la voie hydrométallurgique. Toutefois, cette étude a fourni des informations préliminaires et une évaluation complète du cycle de vie est nécessaire pour obtenir des résultats précis.

Human activities cause severe environmental challenges like climate change and pollution. Transitioning to renewable energy sources and electrifying transportation are essential to reduce carbon emissions. Wind energy and EVs play crucial roles in this transition, and they require permanent magnets made of rare-earth elements such as neodymium and dysprosium. However, the supply of these metals is limited by geopolitical and environmental issues. Developing a recycling chain for used magnets in Europe is essential to secure a sustainable supply, reduce external dependencies, and support green technologies and economic stability. This report investigates two recycling routes: Liquid Metal Extraction and a hydrometallurgical process focused on leaching and purification steps. In the Liquid Metal Extraction process, NdFeB magnets are immersed in liquid magnesium, allowing rare-earth elements to diffuse into the liquid metal. An experimental setup includes a heating system and a sealed capsule reactor to ensure optimal temperature control. The diffusion zone, where rare-earth elements diffused into the liquid metal, is analyzed using SEM-EDS. Elemental composition analysis is conducted using EPMA to determine the rare-earth element content in the depleted zones of the magnets. The study resulted in the extraction of 88.07% of the neodymium after 50 minutes of treatment. The hydrometallurgical route involves a detailed leaching process. Spent NdFeB magnets undergo thermal oxidation to prepare the material for leaching, enhancing selectivity by altering the chemical composition. The oxidized powder is then immersed in acid under controlled conditions. Characterization is conducted using SEM-EDS and XRD, and results are analyzed by MP-AES to determine leaching efficiency. The leaching process produced a pregnant liquor solution with 18.51 g/L neodymium under under the following conditions: HCl concentration = 0.5 mol.L-1, leaching temperature = 93 °C, roasting temperature = 850 °C for 6-hours; S/L = 100 g/L, agitation = 500 RPM. The purification stage uses liquid-liquid extraction, transferring metal ions from the aqueous to the organic phase. The study investigated various extractants and conditions. Single extractants and synergistic solvents were tested, resulting in low neodymium extraction efficiency (~10%) but high efficiencies for dysprosium and gadolinium (>80%). The final strategy aimed to retain neodymium in the raffinate, yielding 16.03 g/L neodymium with minimal impurities using the following conditions: 1 mol.L-1 D2EHPA+TBP (molar ratio 1) diluted in kerosene, at equilibrium pH, organic to aqueous phase volume ratio = 1, shaking time = 30 minutes, temperature of shaking = 25 °C. The report is completed by a screening life cycle assessment comparing the environmental impacts of the hydrometallurgical and pyrometallurgical recycling processes for NdFeB magnets. The pyrometallurgical route emerged as the best option for producing metallic neodymium from recycled magnets, with impacts six times lower than the conventional route and 3.4 times lower than the hydrometallurgical route. However, this study provided preliminary insights, and a complete life cycle assessment is necessary for accurate results.