奈米鐵氧磁體之稀土吸附材料研發

刊登日期:2017/6/5
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稀土元素(Rare Earth Elements; REEs)被廣泛應用於機械、冶金、玻璃、陶瓷、石油、化工、皮革、農牧等各傳統產業,在生活中隨處可見其應用產品。微量的稀土添加就能明顯改善金屬材料性能,提高鋼材的強度及耐磨性和抗腐蝕性,因此稀土元素常被用於生產電池、永磁、螢光、儲氫、催化、精密陶瓷等材料。本研究以逆尖晶石型態之奈米鐵氧磁體作為稀土吸附材料,該吸附材料對稀土元素具親和力。

國內/外技術概況
國內/外回收REEs之技術多以「都市礦山」概念為出發點,即從廢電器、電子產品中萃取廢棄物中有價之REEs。美國國會研究服務處(Congressional Research Service; CRS)指出,稀土元素新採礦活動需十年才能生產,但礦量不足產生短缺問題,且中國幾乎全盤控制REEs供應,近年更實施產銷嚴格配額。日本2009年即呼籲從廢棄物回收REEs,環境省就手機等裝備中的稀土和貴重金屬制定計畫,發展回收系統。筆者就既有文獻與科技公司之REEs回收技術羅列如表一所示。

研究方法
本研究以水熱合成法(Hydrothermal Synthesis)製備逆尖晶石結構奈米磁性鐵氧磁體吸附材料(Adsorbent),藉由縮小吸附材料粒徑、嫁接官能基(Functional Group)進行鐵氧磁體表面之改質,以提升其對稀土元素之飽和吸附量,獲取更具經濟效益之高效能吸附材料。本研究主要項目有吸附材料最適化製備條件、表面改質評估分析、吸/脫附特性與機制以及REEs產業之吸附回收分析,圖一為奈米鐵氧磁體(Nano-ferrite)之稀土吸附材料研發流程示意圖。茲將研究方法簡述如下。

圖一、奈米鐵氧磁體之稀土吸附材料研發流程示意圖
圖一、奈米鐵氧磁體之稀土吸附材料研發流程示意圖

1. 奈米鐵氧磁體製備程序
(1) 硫酸亞鐵配製
反應合成條件決定鐵氧磁體之晶相及粒徑等基本特性,吸附材料性質亦由此決定。本研究之鐵氧磁體吸附材料之合成程序簡述如下:加入1公升去離子水至鐵氧磁體反應器,稱取FeSO4·7H2O加入反應器中並攪拌使完全溶解,添加適當的NaOH調整pH值後再加熱,以穩定的速率加入空氣持續至氧化還原電位改變為止,冷卻後以4,000高斯的永久磁鐵將鐵氧磁體藉由磁力而分離陰乾。其生成反應式如式(1)所示。

結果與討論
1. 奈米磁性鐵氧磁體表面及吸附結構特性研究
(5) 官能基嫁接
為了解本研究自製三種吸附材料鍵結情形,以傅立葉轉換紅外光譜分析儀(FTIR)判定其官能基之鍵結狀況。圖七即為自製鐵氧磁體FTIR分析成果,結果顯示,自製之三種吸附材料在波數580(Fe-O特徵峰)、1,600(-OH特徵峰)及3,400(-OH特徵峰)附近的位置皆有特徵峰出現,其中在波數小於700的吸收帶(Fe-O鍵結)說明了三種吸附材料皆以Fe3O4為主體,而波數1,600(-OH特徵峰)及3,400(-OH特徵峰)的出現則是由水氣所貢獻。

3. 工業污泥回收稀土之效能評估
為了解工業污泥回收稀土之可行性,本研究實地採集到三件台灣工業污泥作為回收稀土之效能評估,此三件樣品分別為:①LCD拋光產業:氧化鈰加水在機台與玻璃拋光後之殘留過濾物質;②照明工業-日光燈產業:螢光燈管不良品之水洗螢光粉污泥;③稀土磁鐵產業:Nd-Fe-B磁石研磨廢料。

表二、三種工業污泥回收稀土之效能評估
表二、三種工業污泥回收稀土之效能評估

詳細數據如表二所示,測試結果充分顯示此三類污泥極具稀土回收之價值。在溶出條件為溶劑0.3 N HNO3、轉速120 rpm、溶解時間為6小時、樣品污泥/溶劑(固/液重量百分比)為1/100的情況下,對三種工業污泥(LCD拋光產業、照明工業、稀土磁鐵)之溶解率分別約為10%、80%及60%。在量測的17種稀土中,發現上述萃取條件中,液相萃取出來的元素分別含高濃度之Ce、La稀土(LCD拋光產業)、Y、Eu稀土(日光燈)及Nd稀土(稀土磁鐵),其濃度測值分別為…以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:羅聖宗、翁子偉/工研院綠能所;游鎮烽/國立成功大學;涂耀仁/上海師範大學
★本文節錄自「工業材料雜誌」366期,更多資料請見下方附檔。


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