Sjeldne jordartsmetaller inngår i vindmøller og miljøbiler – men blir snart mangelvare!
Norge, representert ved SINTEF, er med i jakten på egnede gjenvinningsmetoder.
Knapphet varslet fra 2015
Sjeldne jordartsmetaller som neodym (Nd) og dysprosium (Dy) er blitt kalt de store "mulig-gjørerne" i forhold til flere grønne energi-satsinger.
De er viktige ingredienser både i generatorene som lager strøm i vindmøller, og i elektromotorene som driver el- og hybridbiler.
Men etterspørselen etter disse grunnstoffene har vokst mye raskere enn produksjonen. Ifølge prognoser blir det knapphet på flere av dem allerede fra 2015.
|
|
TEKNOLOGIEN: SINTEFs Ana Maria Martinez forbereder et gjenvinnings-eksperiment. En prøveholder med magnetmateriale skal inn i en forsøksovn for høytemperatur elektrolyse. Der venter en prosess tilsvarende den som brukes ved aluminium-framstilling. Alle foto: SINTEF / Thor Nielsen |
Gjenvinning som første mottrekk
– Det tar lang tid å påvise nye drivverdige forekomster og starte opp nye gruver. For å hindre at produksjonen av vindmøller og miljøbiler skal bremses opp, blir det et viktig første-tiltak å gjenvinne disse metallene fra skrap. I dag mangler teknologi for dette. Det prøver vi nå å gjøre noe med, sier SINTEF-forsker Ana Maria Martinez.
Kina kontrollerer tilgangen
De sjeldne jordartsmetallene brukes ikke bare i energi- og transportsektoren, men også i en lang rekke hverdagsprodukter. Du finner dem blant annet i PC'er og mobiltelefoner.
En fellesnevner for mange av grunnstoffene det handler om, er at det er mye av dem i jordskorpa. Men det er sjelden de finnes i konsentrasjoner som er høye nok til at de er utnyttbare. Derfor kalles de sjeldne jordartsmetaller (Rare Earth Metals = REM).
Til nå har ett enkelt land forsynt hele verden med disse grunnstoffene: Kina.
Kineserne strammer til
Kina står for 95 prosent av verdensproduksjonen av REM, til tross for at landet kun har en drøy tredel av de globale forekomstene.
De siste årene har landet imidlertid begynt å begrense sin eksport av disse materialene.
Teksten fortsetter under bildene.
|
|
| RÅSTOFFET: Her er magnet-råstoffet som Martinez bruker i sine gjenvinningseksperimenter: en såkalt master-legering, produsert for bruk i hard-disken i datamaskiner. Emnet er gitt av professor T. Okabe ved University of Tokyo. |
GJENVINNINGSPRODUKTET: Innmat fra en åpnet digel etter at magnetråstoff har vært gjennom et elektrolyse-eksperiment. Håpet til Martinez er at det sølvgrå materialet nederst skal være en "magnet-legering" som kan brukes i nye magneter. |
"Urban mining"
Derfor seiler gjenvinning av REM fra skrap nå opp som et viktig forskningstema i flere andre land. Blant annet har EU store utlysninger ute til kommende forskningsprosjekter viet resirkulering av REM. Temaet står også sentralt i et SINTEF-ledet prosjekt, der de største forskningsinstituttene i Europa samarbeider innenfor fagfeltet materialgjenvinning.
Gjenvinningsstrategien har fått betegnelsen "urban mining". To grupper av materialteknologer fra SINTEF er med i dette gryende kappløpet, til nå finansiert med strategiske midler fra forskningskonsernet selv.
Teknologi fra metallframstilling
Som innfallsvinkler har SINTEF-forskerne valgt teknologi som er kjent fra aluminium- og smelteverksindustrien.
Spanske Ana Maria Martinez, forsker ved SINTEF Materialer og kjemi, er spesialist på høytemperatur elektrolyse, en prosess som i Norge er mest kjent fra aluminiumframstilling.
I sin jakt på kilder for gjenvinning av REM, har Martinez og en gruppe SINTEF-kolleger kastet blikket på permanentmagneter, det viktigste produktet som inneholder REM – målt både etter verdi og volum.
Mye forskning gjenstår
De sterkeste magnetene på markedet består av legeringer der de sjeldne jordartsmetallene neodym (Nd), praseodymium (Pr) og dysprosium (Dy) inngår sammen med jern og bor ("magnet"-legeringer på fagspråket). Nettopp slike magneter brukes i vindmøller og miljøbiler.
Ut fra sine innledende forsøk, har Martinez tro på at en "tvilling-versjon" av elektrolyse-teknologien fra aluminiumverkene kan brukes til å gjenvinne magnet-legeringer fra kasserte magneter og skrapmateriale fra magnetprodusentene.
– Resultatene fra gjenvinningsforsøk vi har gjort med elektrolyse i lab-skala er lovende. Men fortsatt er prosessen treg. Et stort forskningsarbeid gjenstår, for det er mye vi må optimalisere før vi kan fastslå om det går an å komme helt i mål. Lykkes vi, vil vi ha en metode som er mye enklere enn alternative prosesser basert på bruk av sterke syrer, sier Martinez.
Mange utfordringer
Flere problemer må også løses på trinnene foran elektrolyse-prosessen, påpeker SINTEF-forskeren: Blant annet må innsamlings- og demonteringsløsninger for brukte magneter på plass.
I tillegg må magnetene demagnetiseres lokalt. Langtransport av intakte permanentmagneter er nemlig forbudt. Ifølge Martinez er teknologi for lokal demagnetisering nå under utvikling ved Universitetet i Birmingham i Storbritannia.
– Permanentmagneter er vanligvis utsatt for høye temperaturer, derfor er de utstyrt med et nikkelbelegg som korrosjonsbeskyttelse. Noen hevder at dette belegget vil vanskeliggjøre resirkulering. Med den prosessen vi tenker oss, tror vi imidlertid ikke at nikkelbelegget blir noe problem, sier Martinez.
Vil starte med kapp
SINTEF-forskeren ser det som mest fornuftig å starte forskningsarbeidet med kapp fra magnet-produsentene. Dette er materialer som ikke er magnetisert.
– Det vil ta en stund før antallet vrakede miljøbiler er så høyt at elektriske bilmotorer blir en betydelig kilde for resirkulering av REM. Men trolig vil det alt nå være store volumer av magnet-legeringer å hente i kapp fra magnetprodusentene. Til enkelte formål smeltes skrap fra magnet-tilvirkningen på nytt i produksjonsovnene, men magnet-legeringene får da egenskaper som gjør dem uaktuelle for høykvalitets magneter, sier Martinez.
|
| Metallurg og forsker Kai Tang ved SINTEF Materialer og kjemi separerer sjeldne jordartsoksider fra nikkel-metall hydrid-batterier ved hjelp av denne høyfrekvente vakuum-ovnen. |
Også batterier i fokus
Parallelt med arbeidene til Martinez, har forsker Kai Tang ved SINTEFs metallurgi-avdeling begynt å se på muligheten for å gjenvinne REM fra såkalte Ni-MH-batterier (Nikkel-metall hydrid-batterier) – ved hjelp av høytemperatur metallurgiske prosesser.
Slike batterier brukes blant annet i flere hybrid-biler. I disse inngår legeringer som inneholder de sjeldne jordartsmetallene cesium (Ce), lanthan (La), neodym (Nd) og praseodymium (Pr).
Ved tilsetting av slagg har Tang klart å fjerne mange av stoffene som omgir de ettertraktede REM-legeringene.
– I Asia har mange brukt kjemikalier til å gjenvinne disse legeringene, men dette er prosesser som det er vanskelig å kontrollere, sier Tang.
Tverrfaglig samarbeid
Den kinesiske forskeren samarbeider nært med SINTEF-kollega og elektrolyse-ekspert Ana Maria Martinez for å bringe den metallurgiske gjenvinningsruta helt i målt.
De sjeldne jordartsmetallene kommer ut av de metallurgiske prosessene i form av oksider, og nettopp elektrolyse er en teknikk som gjør oksider om til metaller.
– Tang har vist at det går an å oppkonsentrere innholdet av REM-legeringer i sitt materiale i betydelig grad. Men fortsatt er silisium- og kalsiumoksider igjen, og vi er nå opptatt av hvordan vi kan bil kvitt disse foran et eventuelt elektrolysetrinn, sier Martinez.
– Tenk resirkulering fra starten!
Den spanske forskeren har en bønn til industri og myndigheter:
– Det brukes masse penger på å forske fram nye batteri-typer. Når disse utvikles: Husk også å sette av penger til forskning som bringer gjenvinningsaspektet inn allerede når de nye batterimaterialene designes!
Av Svein Tønseth
|
|
Innmat fra nikkel-metall hydrid-batteri etter behandling med høytemperatur metallurgiske prosesser ved SINTEF. Separert ut nederst i midten er en legering av nikkel og kobber. Øverst til høyre: slagg som inneholder sjeldne jordartsoksider. Til venstre et grafittrør, brukt som termo-element ved temperaturmålinger under forsøkene. |
