NdFeB废料熔盐电解法制备Mg-Nd基合金的机理研究

Recovery of rare earth elements from NdFeB scrap is of great significance for resource saving and environmental protection. Nowadays, hydrometallurgical route is often used to recycle NdFeB scrap. A large quantity of acid is consumed during the processing, and it inevitably leads to an environmental pollution. This problem can be solved by a combined process using molten salt extraction and molten salt electrolysis. In the present proposal, the extraction kinetics of rare earth elements from NdFeB scrap by molten magnesium chloride will be systematically investigated, and the electro-chemical behavior of the electrolysis process in chloride melt will be thoroughly studied for production of Mg-Nd based alloy. Various analyzing techniques will be adopted including ICP, TGA/DSC, SEM, XRF and XRD to elucidate the kinetic process and the reaction mechanism of NdFeB scrap in molten magnesium chloride, and the effects of electrolyte composition, impurities, cathode alloy composition and conditions of electrolysis on preparing Mg-Nd based alloy as well as the electrode phenomena. Then, a new technology conditions for producing the Mg-Nd based alloy from NdFeB scrap will be established. The successful implementation of this project will provide theoretical and technical knowledge for recycling and comprehensive utilization of NdFeB scrap, which is essential not only to recover the rare earth and iron resources in the e-wastes containing NdFeB, but also to a great extent to promote the recycling economy, thus to contribute to the sustainable society.

为了节约资源、保护环境，对NdFeB废料进行回收意义重大。目前，多采用湿法冶金工艺对其进行回收，此过程需消耗大量的酸，且易造成环境污染，而采用熔盐电解法可克服上述问题。本项目利用热力学和动力学方法对NdFeB废料在氯化镁熔盐中的溶解过程及氯化物熔盐体系的电解过程进行深入研究，借助ICP、TGA/DSC、SEM、XRF和XRD等方法对溶解和电解反应的产物进行表征，进而阐明从NdFeB废料中提取稀土的动力学过程和反应机理，并以该熔盐提取液为基本电解质组成，研究电解质组成、杂质、阴极合金成分、电解条件等因素对电解制取Mg-Nd基合金的影响及电化学机制。基于以上研究，建立NdFeB废料熔盐电解法制备Mg-Nd基合金的新技术。本项目的成功实施，将为NdFeB废料的回收与综合利用提供理论和技术指导，不仅可望在回收废料中稀土的同时实现铁的资源化，更可增强NdFeB废料回收的经济性，具有良好的应用前景。

为了节约资源、保护环境，对NdFeB废料进行回收具有重要意义。目前，工业中采用湿法冶金工艺对其进行回收，过程中需要消耗大量的无机化学试剂与有机溶剂，易造成环境污染。本项目提出了一种新的NdFeB废料回收方法，即通过熔盐氯化-电解法。对NdFeB废料在MgCl2-KCl熔盐中的溶解过程及氯化物熔盐体系的电解过程进行了深入研究，取得成果如下：（1）MgCl2-KCl熔盐提取NdFeB废料中稀土元素的基本原理是基于稀土元素（Nd、Pr、Dy）与杂质元素（Fe、B等）间化学活性的差异。热力学分析表明：MgCl2能选择性氯化废料中的稀土元素形成稀土氯化物，属于放热过程；熔盐与废料间有良好的润湿性，促进了两者间的接触反应；动力学研究结果表明：该提取过程为扩散控制，反应后固体残余废料的不致密结构为扩散传质过程的主要阻力，升高反应温度、降低熔盐的黏度均有利于稀土元素的氯化提取。在最佳条件下，稀土的提取率达到90%以上。（2）电化学研究结果表明：750℃时NaCl-KCl体系中Nd3+在Mo电极上的析出为一步得到3个电子的不可逆还原过程，起始还原电位约为-2.10V（vs Ag/AgCl）；而Pr3+的还原是分两步进行的，即先得2个电子还原为Pr+，然后再得到1个电子还原为金属Pr，其起始还原电位分别在-1.50、-1.70 V附近；Dy3+的还原过程与Pr3+相似，其还原电位比Pr3+稍正。NaCl-KCl-MgCl2-NdCl3体系中恒电位电解制备Mg-Nd合金时，其析出机理为：Mg2+先还原为金属镁，Nd3+然后在镁上发生欠电位沉积，并形成三种不同的Mg-Nd间金属化合物（MgNd、Mg2Nd、Mg3Nd），最后Nd3+还原为金属钕；同时先析出的镁也会还原熔盐中的NdCl3形成Mg-Nd合金。（3）建立了以NdFeB废料为原料熔盐电解制备Mg-Nd基合金的新方法，该回收工艺已在实验室成功实现。本项目的研究成果，为开发NdFeB废料回收新技术提供了理论与技术指导，并提高了回收的经济性与环境效益。