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Reducing environmental impacts of the global rare earth production for use in Nd-Fe-B magnets - How much can recycling contribute?

Schulze, Rita :
Reducing environmental impacts of the global rare earth production for use in Nd-Fe-B magnets - How much can recycling contribute?
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Diss Rita Schulze 15-12-2018.pdf - Accepted Version
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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Reducing environmental impacts of the global rare earth production for use in Nd-Fe-B magnets - How much can recycling contribute?
Language: English
Abstract:

Rare earth elements (REE) are classified as critical metals because of their technological importance and geo-political supply risks. They are used in a range of applications, including magnets, phosphors, battery electrodes, catalysts and polishing powders. Many of these applications are important in green technologies. Permanent magnets constitute the most important REE application in terms of market size, specifically with neodymium, praseodymium, dysprosium and terbium used in Nd-Fe-B magnets, and the demand for these magnets is increasing. To mitigate supply risks, efforts are underway to develop recycling technologies to retrieve REE from Nd-Fe-B material. Whilst the recycling of industrial Nd-Fe-B scrap is already practiced, recycling of rare earths from end-of-life products is still largely limited to laboratory and pilot projects. The question to be addressed in this dissertation is: How does the recycling of Nd-Fe-B magnet material reduce the environmental impact of the global REE production for use in Nd-Fe-B magnets? In the global production system, the extent to which environmental impacts can be reduced through the recycling of Nd-Fe-B magnet material depends on the following aspects: • the possible extent of the recycling activities, i.e. the question of how much REE material can be supplied from secondary magnet material sources • the choice of technologies applied in primary and secondary REE production • market mechanisms, which determine whether and to what extent the output of primary rare earth element production is reduced as a consequence of the recycling activities. To answer these questions, material flow analysis (MFA) and life cycle assessment (LCA) studies were utilized. The MFA study was conducted to quantify material (Nd-Fe-B) and associated substance (i.e. REE) flows for years 2020 to 2030. This was undertaken to identify the potential future size of secondary REE flows from these materials. Since recycling of REE from Nd-Fe-B magnets is at its early beginnings today, a future outlook was required. The potential role of secondary REE production from Nd-Fe-B material was compared with the expected overall size of future flows in the global Nd-Fe-B production system. The findings from the MFA study were used to model a future production system in which some of the REE demand is met through secondary production from scrap Nd-Fe-B magnets. Market effects on the jointly produced REE in the primary production system were analysed. The environmental effects of changing from the current REE production system based on primary mining to a potential future system in which some of the primary production is replaced by secondary production were analysed in a consequential life cycle assessment study (C-LCA study) – a form of LCA which focuses on changes in environmental impacts, rather than their absolute quantification. The study provides an example of how effects on an unbalanced REE market can be addressed in LCA studies. The MFA study showed that the amount of industrial Nd-Fe-B scrap available for recycling is likely to exceed achievable potentials of secondary Nd-Fe-B extractable from end-of-life (EOL) devices in years 2020–30 (by mass of Nd-Fe-B). Around 20 percent of global demand of Nd/Pr and of 22–23 percent of Dy/Tb for Nd-Fe-B production can be met from secondary sources from EOL magnets and industrial Nd-Fe-B scrap in years 2020–30. From a recycling perspective, the most promising Nd-Fe-B application groups were shown to change over the time period considered, posing a challenge to recyclers who have to handle the changing mix. To aid the C-LCA study, a life cycle inventory for in-situ leaching of REE from ion-adsorption deposits was compiled as this was not previously available in the public literature, or in publicly available data-bases. Results from the C-LCA study show that recycling of REE from Nd-Fe-B magnets would be beneficial from an environmental perspective due to the lower environmental impacts associated with the secondary recycling process compared to primary production, but also due to the possibility to avoid overproduction for joint productions in the primary production system. The avoided impact from primary production far exceeds the impact from the recycling activity for all analysed impact categories. In addition, the REE production from ion-adsorption clay deposits constitutes one of the most important REE production routes, and the most important production route for heavy rare earths such as dysprosium and terbium. Therefore, the dataset provides an important addition to the REE production datasets currently available. Furthermore, an additional life cycle assessment study was conducted to assess the potential envi-ronmental impacts of a one-step recycling process developed by researchers in the EREAN project. In contrast to the C-LCA study, the focus of this LCA study was on the process-specific impacts associated with the technology as a function of different process parameters. Results from the analysis of the recycling process developed in EREAN show that the material recovery rate is crucial to the overall impact of the recycling process. Furthermore, the preparation of the magnet material required before the electrolysis also contributes to the overall impact. The comparison of this recycling route with primary production shows that the recycling process has the potential for much lower process-specific impacts than the current REE primary production process. To conclude, the secondary production of REE from Nd-Fe-B magnets could help reduce the environ-mental impacts associated with rare earth production. The potential environmental benefits of recycling are currently still limited by the amount of scrap becoming available each year, however, this is expected to increase in the near future. Whether rare earth production from secondary sources actually takes off will depend on the development of rare earth prices, on whether Nd-Fe-B recycling will be politically incentivized, and on geopolitical factors. In Europe, it is likely that political incentives will be necessary to kick-start recycling operations (ERECON. 2015). Further research regarding the magnitude of perfluorocarbons emissions during rare earth electrolysis, which are potent greenhouse gases, and on ionizing radiation associated with rare earth processing, which has been associated with adverse human – and environmental health effects, is recommended. Furthermore, an improvement of the environmental impact assessment methods available for life cycle assessments of REE, especially with regards to ionizing radiation and resource use, would be desirable.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Elemente der Seltenen Erden werden aufgrund ihrer technologischen Bedeutung und geopolitischer Versorgungsrisiken als kritische Metalle eingestuft. Sie werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, u.a. für Magnete und Leuchtstoffe, Batterieelektroden, Katalysatoren und Schleifmittel. Viele dieser Anwendungen gehören zur den sogenannten “Grünen Technologien” da sie die Energieeffizienz der Anwendungen steigern. Dies gilt auch für Permanentmagnete, die die ökonomisch wichtigste Anwendung der Seltenen Erden darstellen. Neodym, Praseodym, Dysprosium und Terbium werden in Neodym-Eisen-Bor (Nd-Fe-B) Magneten eingesetzt, und die Nachfrage nach Nd-Fe-B-Magneten steigt. Um Versorgungsrisiken entgegenzuwirken, werden seit einigen Jahren Recyclingtechnologien entwickelt, um die Seltenen Erden aus dem Nd-Fe-B Magnetmaterial zurückzugewinnen. Während das Recycling von Produktionsabfällen der Nd-Fe-B- Magnete schon praktiziert wird, beschränkt sich das Recycling von Magneten nach Ablauf der Produktlebensdauer (End- of-life recycling) derzeit weitgehend auf Forschungs- und Pilotprojekte. Über die Sicherung der Versorgung hinaus erwartet man sich vom Recycling von Magnetmaterialien auch eine Entlastung der Umwelt, da die Produktion Seltener Erden oft mit gravierenden Umweltbelastungen (Emissionen von Schadstoffen, Strahlenbelastung, hoher Wasser- und Energieverbrauch etc.) verbunden ist. Kern der vorliegenden Dissertation ist die Frage, in welchem Ausmaß das Recycling von Seltenen Erden aus Nd-Fe-B Magneten zur Reduktion der Umweltwirkungen der globalen Seltene-Erden-Produktion beitragen kann. Um diese Frage zu beantworten, sind folgende Aspekte relevant: • die Mengen Seltener Erden, die durch das Recycling von zur Verfügung stehendem Nd-Fe-B-Magnetmaterial zurückgewonnen werden können, • die Wahl der Technologien / Prozesse, die für das Recycling und die Primärproduktion der Sel-tenen Erden eingesetzt werden • Marktmechanismen, die entscheidend dazu beitragen, ob und in welchem Ausmaß die Einfüh-rung einer Sekundärroute für einzelne Selten-Erd-Elemente zu einer Reduktion der Produkti-onsmengen der Primärroute beitragen kann. Zur Beantwortung dieser Fragen wurden die Ökobilanzierung (Life Cycle Assessment, LCA) und die Materialflussanalyse (MFA) als Methoden eingesetzt. Mittels MFA wurden sowohl die globalen Nd-Fe-B-Materialflüsse, als auch die mit den Materialflüssen verbundenen Elementflüsse der in den Magneten verwendeten Seltenen Erden quantifiziert. Damit konnten die zukünftig erwarteten Produktionsmengen ermittelt werden, aus denen sich wiederum die potentiell für ein zukünftiges Recycling zur Verfügung stehenden Materialien ermitteln lassen. Für die Abschätzung der zukünftigen Recyclingpotenziale wurden Szenarien aufgestellt. Das mögliche Ausmaß der Sekundärproduktion Seltener Erden aus Nd-Fe-B Material wurde mit den erwarteten Pro-duktionsmengen für Nd-Fe-B-Magnetmaterial verglichen. Die Ergebnisse der Materialflussanalyse zei-gen, dass für den betrachteten Zeitraum (2020-30) die Mengen an sekundärem Magnetmaterial (Pro-duktionsabfälle, Ausschuss), die für das Recycling genutzt werden könnten, wahrscheinlich die Mengen an Material aus nicht mehr genutzten Magnetanwendungen (End-of-Life Magnete) (in Tonnen Nd-Fe-B Material) übersteigen werden. Etwa 20 Prozent der globalen Nachfrage nach Praseodym und Neodym, und ca. 22-23 Prozent der Dysprosium- und Terbiumnachfrage könnten durch Sekundärproduktion aus Nd-Fe-B-Ausschuss aus der Magnetproduktion und aus nicht mehr genutzten Anwendungen produziert werden. Die Ergebnisse zeigen auch, dass sich die Bedeutung verschiedener Magnetanwendungen als Quelle für in der Sekundärproduktion nutzbares Magnetmaterial hinsichtlich der anfallenden Mengen über den betrachteten Zeitraum ändert – eine Herausforderung für (potentielle) Recycler, die sich auf einen sich ändernden Mix an Altgeräten einstellen müssen. Die Ergebnisse der Materialflussanalyse flossen in ein Produktionsmodell ein, welches eine Situation abbildet, in der ein Teil der globalen Nachfrage nach Seltenen Erden durch sekundäre Produktion aus Nd-Fe-B-Magneten (Recycling) bereitgestellt wird. Mittels dieses Marktmodells wurden die Markteffekte auf die Koproduktion Seltener Erden analysiert. Diese Analyse ging ein in eine ‚consequential LCA‘ (C-LCA), eine Form der Ökobilanz, die sich mit Änderungen von Umweltwirkungen statt deren absoluter Quantifizierung befasst. In der C-LCA wurde die mögliche Einsparung an Umweltwirkungen durch die Umstellung der globalen Produktion von 100% Primärproduktion auf ein Produktionssystem mit sowohl Primär- als auch Sekundärproduktion analysiert. Methodisch lassen sich mit diesem Vorgehen innerhalb einer Ökobilanz Auswirkungen auf einen Markt, in dem Nachfrage und Angebot unausgeglichen sind, untersuchen. Ergebnisse der consequential LCA Studie zeigen, dass sich durch das Recycling von Seltenen Erden aus Nd-Fe-B Magnetmaterial Umweltwirkungen in der Produktion Seltener Erden gegenüber der Pri-märproduktion einsparen lassen. Dies liegt an den geringeren prozessspezifischen Umweltwirkungen der Sekundär- gegenüber der Primärroute, aber auch daran, dass bei Einführung einer Sekundärroute eine Reduktion der Primärproduktion ohne eine zu erwartende Verknappung der koproduzierten Sel-tenen Erden der Primärroute möglich ist, da bei vielen Koprodukten die Produktion die Nachfrage derzeit weit übersteigt. Durch die Einführung des Recyclings kann diese Überproduktion verringert werden. Die einzusparenden Umweltwirkungen der Primärroute übersteigen so in den analysierten Kategorien die zusätzlichen Umweltwirkungen, die durch das Recycling entstehen, um ein Vielfaches. Zur Durchführung der consequential LCA Studie war eine Ergänzung der Sachbilanzdaten, welche die Grundlage für die Berechnungen liefern, notwendig. Insbesondere standen keine repräsentativen Daten zur Produktion Schwerer Seltener Erden wie Dysprosium aus Ionenadsorptionstonen zur Verfügung. Für diese Produktionsroute wurde ein Datensatz erstellt. Da die Produktion Seltener Erden aus Ionen-Adsorptionstonen eine der wichtigsten Produktionsrouten, insbesondere für Schwere Seltene Erden wie Dysprosium und Terbium darstellt, kann der im Rahmen der Dissertation erstellte Datensatz als ein wichtiger Baustein in zukünftigen Ökobilanzen dienen. Des Weiteren wurde eine Ökobilanzstudie zur Abschätzung der Umweltwirkungen eines Recyclingpro-zesses, der im Rahmen des EREAN-Projektes entwickelt wird, durchgeführt. In diesem Prozess werden Seltene Erden direkt durch Schmelzflusselektrolyse aus für das Recycling zur Verfügung stehendem Magnetmaterial extrahiert. Schwerpunkt dieser Bilanz war nicht wie in der consequential LCA Studie die Beantwortung der Frage nach den insgesamt einzusparenden Umweltwirkungen, sondern eine Abschätzung der prozessspezifischen Umweltwirkungen in Abhängigkeit von Prozessparametern. Die Ergebnisse der Bilanzierung zeigen, dass die Rückgewinnungsrate – also der Anteil der Seltenen Erden im zu recycelnden Magnetmaterial, der als Produkt abgeschieden werden kann – entscheidend für die prozessspezifischen Umweltwirkungen ist. Weiterhin ist die Vorbereitung des Magnetmaterials für die Elektrolyse nicht vernachlässigbar. Vergleicht man die Schätzungen für die Umweltwirkungen des Recyclingprozesses mit denen der Primärproduktionsroute, zeigt sich, dass der Recyclingprozess Potential für sehr viel geringere Umweltwirkungen hat. Abschließend lässt sich feststellen, dass die (großflächige) Einführung der Sekundärproduktion von Seltenen Erden durch Recyceln von Nd-Fe-B-Magnetmaterial zur Einsparung von Umweltwirkungen der Seltenen-Erden-Produktion beitragen könnte. Momentan sind die potenziell einzusparenden Um-weltwirkungen schon allein aufgrund der geringen anfallenden Mengen an recyclebarem Material noch begrenzt. Diese nehmen jedoch momentan zu. Ob sich das Recycling tatsächlich durchsetzt, hängt u.a. von der Preisentwicklung der Seltenen Erden, dem Einsatz politischer Anreizprogramme, und ge-opolitischen Faktoren ab. Zumindest in Europa ist es derzeit wahrscheinlich, dass der Einsatz von Förderprogrammen anfangs notwendig wäre, damit die Umsetzung von Recyclingprozessen erfolgt (ERECON. 2015). Einige Fragen konnten im Rahmen der Dissertation nicht abschließend beantwortet werden. Dazu ge-hören offene Fragen zur Quantifizierung der Umweltwirkungen, wie die abschließende Beantwortung der Frage, welche Rolle die Emissionen von Perfluorcarbonen, die ein großes Treibhausgaspotenzial aufweisen, in der Primärproduktion von Seltenen Erden tatsächlich spielen. Weiterhin sind genauere Untersuchungen zu ionisierender Strahlung beim Abbau und der Verarbeitung Seltener-Erden-Erze bzw. möglicher Exposition wichtig. Eine Verbesserung der Wirkungsabschätzungsmethoden, die für die Ökobilanzen zur Verfügung stehen, wäre für die Bewertung der Umweltwirkungen Seltener Erden hilfreich. Das betrifft unter anderem die Methoden zur Bewertung der Strahlenbelastung und Ressourcennutzung.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 300 Sozialwissenschaften > 330 Wirtschaft
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute IWAR
13 Department of Civil and Environmental Engineering Sciences > Institute IWAR > Material Flow Management and Resource Economy
Date Deposited: 19 Dec 2018 15:28
Last Modified: 19 Dec 2018 15:28
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-83018
Referees: Schebek, Prof. Dr. Liselotte and Elwert, Prof. Dr. Tobias
Refereed: 18 April 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/8301
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