如何使用智能設(shè)計(jì)來(lái)加強(qiáng)稀土回收

稀土元素 （REE） 對(duì)社會(huì)很重要，因?yàn)樗鼈兛梢蕴岣吒鞣N綠色能源、工業(yè)、醫(yī)療、航空航天和消費(fèi)設(shè)備的性能。它們很稀有，因?yàn)殡m然并不少見(jiàn)，但它們廣泛分布在地殼中，通常不會(huì)以高濃度發(fā)現(xiàn)。

這使得它們的提取變得困難且昂貴。此外，稀土元素，尤其是鑭系元素，通常一起存在于同一礦石中，并且具有許多相似的化學(xué)性質(zhì)，因此在精煉過(guò)程中很難將它們分離。

這些挑戰(zhàn)延伸到回收利用。智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)可以通過(guò)結(jié)合拆卸設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)和最大限度地減少材料種類(lèi)來(lái)顯著提高 REE 回收率。

可循環(huán)性和拆卸設(shè)計(jì)

除了優(yōu)化生產(chǎn)效率和大規(guī)模定制外，工業(yè) 4.0 還越來(lái)越注重支持循環(huán)經(jīng)濟(jì)。智能設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，包括制造、裝配、拆卸和其他因素（如增材制造）的設(shè)計(jì)（圖 1）。人們?cè)絹?lái)越意識(shí)到拆卸設(shè)計(jì) （DfD） 的重要性。

圖 1.DfD 是支持循環(huán)經(jīng)濟(jì)和 REE 回收的方法之一。圖片來(lái)源：International Journal of Production Research)

國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 （ISO） 發(fā)布了多項(xiàng)與可持續(xù)性和循環(huán)經(jīng)濟(jì)相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。與回收相關(guān)的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是 ISO 59014，它提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化方法，以確保二次材料回收的可持續(xù)性和可追溯性。

DfD 使設(shè)備更易于維修、升級(jí)和回收。它有助于優(yōu)化 REE 回收并符合 ISO 59014 標(biāo)準(zhǔn)。DfD 的概念已擴(kuò)展到裝配和拆卸設(shè)計(jì) （DfAD）。

拆卸有兩種常見(jiàn)的過(guò)程，破壞性拆卸和非破壞性拆卸。破壞性拆卸側(cè)重于材料的回收和再循環(huán)，而非破壞性拆卸側(cè)重于部件或子組件的修復(fù)或恢復(fù)。

稀土回收

目前有幾種技術(shù)用于 REE 回收。它們包括濕法冶金（將合金溶解在酸中）、火法冶金（高溫工藝）、液液萃取（使用溶劑分離稀土）和直接回收（組件的拆卸和再利用）。在各個(gè)開(kāi)發(fā)階段，更環(huán)保的方法包括細(xì)菌酸浸出和銅鹽浸出（圖 2）。

圖 2.有幾種回收技術(shù)可用于支持 REE 和其他有價(jià)值材料的可持續(xù)循環(huán)使用。（圖片：整體環(huán)境科學(xué))HDD 磁體的無(wú)酸溶解回收

某些細(xì)菌會(huì)產(chǎn)生有機(jī)酸，用于溶解 REE 以進(jìn)行回收。這些有機(jī)酸比傳統(tǒng)上使用的強(qiáng)酸對(duì)環(huán)境的破壞更小，但已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一種基于銅鹽浸出的新型無(wú)酸溶解方法。

已經(jīng)建立了一個(gè)試點(diǎn)工廠，使用銅鹽浸出來(lái)回收硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器 （HDD）。該工廠已用于回收約 50,000 磅的報(bào)廢 HDD 碎屑、安裝盒和其他材料。除了稀土元素外，該工藝還可以提取和回收金、銅、鋁和鋼等金屬。改進(jìn)的 HDD 設(shè)計(jì)，針對(duì)回收進(jìn)行優(yōu)化，可以提高這種方法的經(jīng)濟(jì)性。

對(duì)成分的仔細(xì)分離使工廠能夠回收約 80% 的原料質(zhì)量。此外，根據(jù)生命周期分析，與傳統(tǒng)的 REE 開(kāi)采和加工相比，該工藝可減少約 95% 的溫室氣體排放。

銅鹽浸出對(duì)于從廢磁體或磁體切屑等材料中分離稀土元素特別有用（圖 3）。然而，回收某些類(lèi)型的含 REE 材料的效率可能較低，并且它仍然會(huì)產(chǎn)生必須處理的有毒廢物流和排放物。

圖 3.銅鹽浸出可以支持將 REE 磁鐵廢料循環(huán)回收成新的磁鐵。（圖片：施普林格·自然）)總結(jié)

智能設(shè)計(jì)，如 DfD 和 DfAD，支持循環(huán)經(jīng)濟(jì)，包括稀土的回收。ISO 59014 提供了一種標(biāo)準(zhǔn)化方法，以確保二次材料回收的可持續(xù)性和可追溯性，并且可以成為量化智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果的重要工具。智能設(shè)計(jì)不僅限于產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，還包括使用最環(huán)保和最具成本效益的稀土回收方法，包括銅鹽浸出等新興技術(shù)。