为什么稀土回收是罕见的，我们能做什么

这篇文章首次发表于Ensia。

耳塞、触摸屏、温热发光的节能灯、充电电池和电动窗:我们大多数人认为这些都是理所当然的。当我们这样做的时候，我们也理所当然地认为一组被称为稀土金属的元素，其特殊的电子和磁性使其成为21世纪许多技术的关键组成部分。这17种元素实际上非常丰富——你可能在你家后院就有一些——但除了一些矿床外，它们在自然界中含量很低，所以很难收集。由于稀土金属是手机、硬盘驱动器、混合动力汽车、风力涡轮机和其他需求飞速增长的产品不可或缺的部件，因此稀土金属的需求也在不断飙升。

就在2010年，中国生产的稀土元素约占世界供应量的97%。那一年，该国决定限制出口使价格飞涨。

“一些稀土的价格上涨了200%甚至更多，”稀土矿业公司Molycorp的吉姆·西姆斯说最近关闭的稀土矿重新开工在加州。稀土元素价格自那以来一直下跌，现在波动性大大降低——这在一定程度上要归功于中国的出口打开或重新开放莫利矿业和世界各地的其他矿山尽管如此，在这段经历的灼伤下，企业和国家仍在努力确保自己拥有足够的稀土资源。

一个正在探索的选择是从使用过的产品中回收稀土金属。你可能认为从产品中回收稀土要比从地下提取稀土更容易，但其实并不像听起来那么容易。鉴于这些产品对现代生活的重要性，世界各国政府都在资助研究，使回收成为更可行的选择。一些公司已经发现这是值得的。

不是路边

回收稀土元素不像回收玻璃或塑料那么容易——挑战几乎存在于各个层面。

首先，这些元素在手机等东西中含量很少。随着零件越来越小，所用的材料也越来越少。例如，在触摸屏中，元素以分子尺度分布在整个材料中。

艾姆斯艾姆斯实验室的主任亚历克斯·金说:“回收电子产品实际上越来越难了。关键材料研究所-由美国能源部资助的“创新中心”专注于确保政府认定的五种关键稀土金属供应的战略。“过去，我们的手机可以回收电池，这可能是回收的最大单一目标。而对于智能手机来说，这些东西的构造让你无法取出电池，至少不容易取出。”

手机通常是通过粉碎、粉碎和研磨成粉末来回收的。然后，粉末可以被分离成组成材料，以便处置或回收。但新款手机包含的元素比以往任何时候都多——大约有65种。(相比之下，所有的工业系统只使用了大约85种元素。)这使得粉末的分离比老式手机更加复杂。金说:“从岩石中分离稀土元素比从手机中分离要容易。”

分离这些材料通常意味着“非常腐蚀性的溶剂或非常高温的熔融金属处理”。这并不简单，”耶鲁大学工业生态学家托马斯·格雷德尔说。

由于这些有害的材料或需要大量的能源，在某些情况下，回收利用可能比最初开采金属更严重地破坏环境。Graedel说:“需要逐个案例分析来决定某一特定产品是否适合回收利用。”

最近的一项研究计算了通过回收电脑硬盘驱动器生产一公斤磁铁用稀土金属钕与开采同等数量的原始材料生产一公斤磁铁所需的全部能源和环境影响。在考虑的案例中，回收对人类的毒性得分比采矿低80%以上，消耗的能源也少了近60%。然而，Graedel指出，“这个例子在磁体所用的合金中回收了钕。”用作玻璃着色剂等应用需要将其还原为元素形式，这将需要更多的资源。

这些研究人员由华盛顿大学的本杰明·斯普雷彻领导材料创新研究所荷兰代尔夫特的研究人员还发现，粉碎硬盘进行回收会导致90%的钕流失。研究人员写道:“在粉碎材料时产生的大量材料损失，使人们对这种回收利用作为稀缺解决方案的有效性产生了严重怀疑。”他们提出了一种方法来解决这个问题，即手动拆分硬盘驱动器。

当少量的稀土是复杂混合物的一部分时，单独分离这些元素可能过于昂贵，导致一些人认为，电子产品中更有价值的元素，如金、钯和铱，可能使回收具有经济价值。爱达荷国家实验室(Idaho National Laboratory)的埃里克•彼得森(Eric Peterson)表示:“可能是稀土将为加工付出代价，而黄金、铂和钯将成为现金流。”彼得森是关键材料研究所(Critical Materials Institute)稀土再利用和回收研究项目的负责人。

为了解决循环利用带来的环境和经济问题，关键材料研究所和其他研究小组，包括a欧洲联盟他们正在测试超临界二氧化碳、离子液体、电化学方法等，作为改善稀土回收前景的策略。

得到货物

Graedel说，尽管稀土回收面临巨大的技术挑战，但这不是主要问题。“我认为，公平地说，我们在回收稀土和许多其他东西方面面临的最大挑战是收集的挑战，”他说。“这更多是一种社会挑战，或许还有监管挑战，而不是技术挑战。”

随着价格压力的缓解(至少目前如此)，再加上要求回收的法律很少，人们就没有什么动力去尝试回收这些材料了。截至2011年，只有不到1%的稀土被回收利用。人们倾向于囤积或扔掉他们的旧手机。汽车里可能有二十多个含有稀土元素的马达，它们驾驶着从挡风玻璃雨刷到后视镜调节的一切，现在还没有正式恢复。许多电子产品最终在发展中国家以不安全或低效的方式被拆除。即使是荧光灯，因为管中含有汞而被法律规定为可循环使用的灯泡，回收率也只有大约30%到35%。

许多专家说，荧光灯现有的回收基础设施使它们成为稀土回收的很好的候选者。荧光灯泡使用稀土元素来填充彩色光谱:排列在灯内部的粉末中的红色和绿色荧光粉是稀土元素铕和铽。回收者会收集灯泡的水银、玻璃和金属部件，但他们通常会扔掉排列在管子上的含有稀土的白色粉末。一些公司现在正在恢复。

彼得森说，虽然LED灯可能开始流行起来，但在未来几十年，大量的荧光灯和紧凑型荧光灯将继续使用，因此它们仍是回收利用的好目标。led也使用稀土元素，但其用量比荧光灯小得多，而且更难以回收利用。"我不相信有可能以经济的方式从led中提取稀土，" King指出。

另一个有希望推动稀土回收利用的领域，是那些仍然集中在行业内部、而不是分散到消费者手中的产品。先进的风力涡轮机在发动机中使用稀土磁铁;钕和镝可以制造超级强大的磁铁，这使得马达更强大，机械设计更简单。对于海上风电场来说，维护是一项艰巨的任务，因此公司倾向于安装最可靠的设备——其中含有数百公斤的稀土元素。由于稀土的含量如此之大，而且它们集中在固定的风力发电场中，因此从风力涡轮机中回收稀土要比从分布广泛的产品中回收稀土可行得多。“他们有一个更好的机会有一个快乐的第二人生，”Graedel说。

尽管存在这些挑战，一些公司仍在努力使稀土回收工作发挥作用。法国化学公司Rhodia宣布了多个稀土回收项目。三菱电机(Mitsubishi Electric)在2012年报告称，该公司正在从其空调中回收和回收稀土磁体日立宣布开发磁石回收机用于硬盘驱动器和空调，意图将该技术投入商业运作。本田该公司去年宣布，已开始从混合动力汽车电池中回收稀土元素。

回收设计

一些专家指出，在生产含有稀土元素的产品之前，设计上的先见之明和更好的规划，可以帮助回收更加成功。

彼得森说，一种方法是尽早分离。“如果你有一个很小的稀土磁铁，一旦你粉碎它们，所有的磁性材料，粉末，会粘在任何含铁的东西上，你就会失去它们，”他说。“我们不知道如何制造可循环利用的东西，尤其是在这个国家。我们必须学会如何做到这一点。”

产品可以设计得更容易拆卸。例如，King说，他的团队正在尝试将手机上的荧光粉与显示屏玻璃分离。他说，“你可以要求制造商想出办法，在手机报废之前，把显示屏摘掉。”

另一种可能是将稀土隔离在一个设备中。彼得森说:“我们正在与几家电子产品制造商合作，了解如何制造一块电路板，以便在拆下其他部件之前先拆下某些部件。”彼得森说，一个例子可能是用不同的材料在不同的高度分层建造电路板，这样它们就可以被依次刮掉。或者，模块化的含稀土金属的组件可以被设计成可重复使用。

供给和需求

当然，这一切都是在假定有足够的现成可回收电子产品供应的前提下进行的——目前这可能不是一个安全的假设。例如，风力涡轮机有20到30年的使用寿命，这意味着几乎没有一个可以回收利用。

在最近的一项研究中，绿色学院的Jelle Rademaker说(荷兰)在荷兰，他和同事计算了从电脑硬盘、混合动力汽车和风力涡轮机中的磁铁中回收稀土的潜力，假设每种情况下都能100%回收。他们发现，从现在到2015年，可回收的数量最多可以达到需求的10%到15%。到2020年，这一比例还会进一步下降，因为需求开始上升，但只有电脑硬盘可以回收。

尽管如此，随着汽车和风力涡轮机的寿命结束，到2030年回收利用理论上可以满足20%以上的需求。“从长远来看，这可能会产生重大影响，”拉德梅克指出。

在经济、立法或需求跟上之前，有一个想法是为未来储存在他们设备中的金属。

“有些人说，我们应该把所有垃圾填埋，等待更好的技术，”Rademaker说。这就是城市采矿的理念。如果你有空间存放这些金属，而且没有危险，而且可以安全地掩埋，那么把这些金属保存一段时间，等到我们知道该怎么处理它们的时候。”

随着新的回收策略的开发，以及对稀土元素的需求每天都在增长，这个时刻可能已经不远了。

图像钕铁硼稀土磁铁丹·汉斯科姆通过在上面