采用真空方法研究含钕镁合金废料在回收过程中的分离行为

《Journal of Magnesium and Alloys》：Investigation of the separation behavior in recycling Nd-containing magnesium alloy waste using a vacuum method

镁合金回收中真空气化和蒸馏分离机制及效率研究。通过理论计算与实验验证，揭示了Mg-Nd系统在真空条件下的相变规律与分离动力学。实验表明：10 Pa真空气化时，Mg优先挥发，Nd富集率达82.91%，产物为多孔结构；2000 Pa真空蒸馏时，通过固-液-气相变实现高效分离，得到致密纯Nd相。两种方法均实现零二次污染排放，气化法效率更高但产物易氧化，蒸馏法产物稳定性更好。研究为轻量化镁合金的可持续回收提供了新思路

　　镁合金作为一种具有广泛应用前景的轻质材料，其独特的物理特性使其成为航空航天、国防及生物医学等领域的理想选择。镁的密度仅为1.75 g/cm3，是钢铁的四分之一，是铝的三分之二，这种轻量化优势使得镁合金在工业领域中具有显著的节能和环保潜力。然而，随着镁合金应用的广泛化，其废弃物的产生量也逐年增加，如何高效回收这些含稀土元素的镁合金废料成为当前研究的重点之一。本研究聚焦于真空回收技术在稀土镁合金分离与富集方面的应用，旨在探索一种绿色、高效、无污染的回收方法，以应对传统回收手段存在的高能耗、低效率以及二次废弃物的问题。

稀土元素的添加能够显著提升镁合金的强度和耐热性，其中钕（Nd）是稀土元素中占比最大的成分，通常占据约50%。然而，由于稀土元素在镁合金中的熔点和蒸气压与镁存在较大差异，传统回收技术难以实现高效分离。真空回收技术利用不同元素在真空条件下的挥发性和冷凝特性，能够在无污染、无废料的条件下实现镁与稀土元素的分离。该方法在理论分析和实验验证方面均表现出优越性，特别是在处理含Nd镁合金时，能够实现高达82.91 wt.%的Nd浓度，展现出良好的应用前景。

本研究采用Factsage软件进行相图计算，并结合真空蒸馏和真空气化两种工艺对Mg-Nd二元合金进行分离实验。在实验过程中，系统压力、加热速率、保温时间等参数对分离效果具有显著影响。理论分析表明，在真空气化条件下，Mg的挥发性显著高于Nd，因此在较低压力下，Mg优先进入气相，而Nd则保留在熔融态的残留物中。与此同时，随着系统压力的增加，液相区域逐渐出现，使得分离过程从直接的固-气相转变（气化）逐步过渡到固-液-气相转变（蒸馏）模式。两种工艺在分离顺序和产物形态上表现出显著差异，其中真空气化得到的是松散多孔结构的Nd富集产物，而真空蒸馏则获得致密块状的Nd金属。这种差异源于不同工艺对元素挥发性的控制程度和中间相分解路径的不同。

在真空气化实验中，通过调整温度和保温时间，研究人员发现Mg的去除率随着温度的升高而增加，但Nd的回收率则受到温度升高的影响。在1073 K的条件下，Mg的去除率达到99.90%，而Nd的纯度则达到98.44%。这表明，在适当的温度和压力条件下，真空气化能够实现高效的分离效果。同时，实验还发现，随着保温时间的延长，Mg的去除率进一步提升，而Nd的富集程度也有所改善。然而，当保温时间超过一定范围时，Nd的损失率增加，导致回收效率下降。因此，为了实现最佳分离效果，研究团队通过优化工艺参数，最终确定了最佳的气化温度为1073 K，保温时间为90分钟。

在真空蒸馏实验中，系统压力被维持在2000 Pa，这种压力条件有助于液相的形成，从而降低Mg的挥发速度，减少Nd的损失。通过调整蒸馏温度和保温时间，研究人员发现，当温度达到1123 K时，Mg的去除率达到99.78%，Nd的纯度为98.237%。这表明，真空蒸馏能够实现较为彻底的分离。然而，随着温度的进一步升高，Mg的蒸气压增加，导致部分Nd被蒸发进入气相，降低了回收效率。因此，在真空蒸馏过程中，温度的控制至关重要。同时，实验还发现，当保温时间达到3小时时，Mg的去除率趋于稳定，Nd的纯度进一步提升，达到88.067%。这表明，在适当的压力和温度条件下，真空蒸馏能够实现高效的分离效果。

两种工艺在分离效率、能耗和产物形态方面各有优劣。真空气化由于系统压力较低，能够实现快速的分离过程，同时具有较高的Nd富集率。然而，其产物由于多孔结构而容易氧化，因此在储存和后续处理中需要特别注意。相比之下，真空蒸馏在系统压力较高时，能够形成致密的Nd金属块，具有更好的化学稳定性和存储条件。然而，由于蒸馏过程需要较长的保温时间，能耗相对较高。因此，选择合适的工艺取决于具体的应用需求和资源条件。

本研究还对实际含Nd镁合金废料ZM6进行了回收实验，实验结果表明，通过真空气化工艺，ZM6废料中Nd的富集率达到82.91 wt.%，展现出该方法在实际应用中的可行性。同时，实验还发现，ZM6废料中含有少量锌（Zn），其蒸气压与Mg相近，导致Zn在分离过程中与Mg一同挥发，降低了Nd的回收率。这一现象表明，在回收含Nd镁合金时，还需要进一步研究如何有效分离Zn等杂质元素，以提高回收纯度。

此外，本研究还探讨了真空分离过程中不同工艺对回收产物形态的影响。真空气化过程中，由于Mg的快速挥发，导致Nd富集产物呈现松散多孔结构，这种结构虽然有助于提高Nd的回收率，但也增加了其在空气中氧化的风险。相比之下，真空蒸馏过程形成的Nd金属块具有更高的密度和稳定性，更适合长期储存和后续加工。因此，研究团队建议，在实际工业应用中，可以根据回收材料的特性和处理条件，选择最合适的工艺。

本研究的结论表明，真空分离技术在回收含Nd镁合金废料方面具有显著优势，不仅能够实现高效分离，还能避免产生二次废弃物。通过理论分析和实验验证，研究人员确认了真空气化和真空蒸馏两种工艺在分离顺序和产物形态上的差异，并进一步优化了工艺参数以提高回收效率。此外，该方法还具备环保和节能的优势，为镁合金废料的绿色回收提供了新的思路。

在实际应用中，真空分离技术的推广需要考虑设备的建设成本、操作条件的控制以及后续处理工艺的配套。例如，真空管式炉的高温稳定性和密封性是确保实验顺利进行的关键因素，而分离产物的收集和储存也需要相应的技术手段。此外，对于不同成分的镁合金废料，可能需要调整工艺参数以适应其独特的物理化学特性。因此，未来的研究应进一步探索如何优化分离条件，提高Nd的回收率，同时降低能耗和设备成本，以实现更大范围的工业应用。

总的来说，本研究为镁合金废料的绿色回收提供了坚实的理论和实验基础，同时也揭示了真空分离技术在处理含稀土元素镁合金废料方面的潜力。随着环保意识的增强和资源回收技术的不断进步，真空分离有望成为未来镁合金废料处理的重要手段之一。