Việc tái chế niken chủ yếu nhắm vào hai loại vật liệu: hợp kim niken có giá trị cao và phế liệu niken. Việc tái chế hợp kim niken có giá trị cao chủ yếu tập trung vào cánh tuabin động cơ máy bay, lưới niken-ruthenium được sử dụng trong điện phân clo-kiềm, chất xúc tác đã qua sử dụng hoặc chất lỏng thải từ quá trình xử lý nước và mạ điện, chất xúc tác và điện cực niken trong ngành công nghiệp tế bào điện phân, và chất xúc tác gốc niken trong ngành sản xuất hydro. Trong các ứng dụng này, niken không tồn tại riêng lẻ mà thường liên kết với rhenium, ruthenium, iridium, kim loại nhóm bạch kim hoặc các nguyên tố đất hiếm. Do đó, giá trị của việc tái chế niken không chỉ đơn giản là "bán phế liệu dựa trên giá niken", mà là "tách niken và các kim loại liên quan thành các dạng có thể tái sử dụng". (Các ngành công nghiệp này cũng chứa các vật liệu titan có giá trị cao; để biết các phương pháp tái chế titan, vui lòng tham khảo tổng quan ngành: " Cái nhìn sâu sắc về tái chế titan ".) Một loại vật liệu niken có giá trị thấp hơn bao gồm thép không gỉ và pin. Ý nghĩa của việc tái chế loại phế liệu niken này nằm ở việc luân chuyển tài nguyên và kiểm soát chi phí thông qua lợi thế kinh tế theo quy mô hơn là ở khoản tiền thưởng trên mỗi tấn.
Các hợp kim chịu nhiệt cao được sử dụng trong cánh tuabin động cơ hàng không vũ trụ và tuabin khí có thành phần chính là niken (50–70% trọng lượng) và được pha trộn với các kim loại chịu nhiệt có giá trị cao như rheni, tantali và vonfram. Điểm nghẽn trong việc tái chế các vật liệu này không phải là "sự khan hiếm niken", mà là cấu trúc vi mô cực kỳ đặc của hợp kim và khả năng chống ăn mòn axit và kiềm; việc nghiền và phân hủy tự bản thân nó đã là những thách thức đáng kể. Mục tiêu cốt lõi của việc tái chế là bảo toàn càng nhiều giá trị càng tốt từ niken và các kim loại quan trọng liên quan—như rheni và coban—trong khi vẫn xử lý được thành phần hợp kim phức tạp.
Luyện kim nhiệt (pyrometallurgy) thu hồi niken bằng cách nấu chảy lại hợp kim phế liệu ở nhiệt độ cao để tạo ra kim loại nguyên chất, đạt tỷ lệ thu hồi niken từ 88–97%. Nhược điểm của phương pháp này bao gồm tiêu thụ năng lượng cao và tính chọn lọc hạn chế đối với các kim loại đi kèm. Luyện kim thủy (hydrometallurgy) sử dụng phương pháp hòa tan bằng axit/kiềm kết hợp với tách và tinh chế; tỷ lệ chiết xuất niken, rheni và coban có thể đạt 92–99%, và hiệu suất kết tủa coban/niken oxalat là 95–99%. Tuy nhiên, phương pháp này thường yêu cầu nghiền sơ bộ và quy trình tương đối dài. Phương pháp kết hợp luyện kim nhiệt – luyện kim thủy trước tiên làm thay đổi cấu trúc vật liệu thông qua quá trình nung oxy hóa hoặc kiềm. Trong một quy trình điển hình, sau khi hợp kim nhiệt độ cao phản ứng với các hạt nhôm ở 1500°C, tỷ lệ hòa tan niken ở bước đầu tiên là 95%, và tỷ lệ hòa tan rheni ở bước thứ hai là 99%. Để giải quyết các vấn đề "không thể phân hủy" và "không thể hòa tan" vốn có trong các phương pháp truyền thống, quy trình sunfua hóa khai thác khả năng chống ăn mòn lưu huỳnh thấp của hợp kim gốc niken. Đầu tiên, nó chuyển đổi kim loại thành sunfua—có độ cứng thấp hơn nhiều so với hợp kim ban đầu—và sau đó hòa tan chúng bằng HCl, đạt tỷ lệ thu hồi 97,6% đối với Fe và 98,1% đối với Ni. Molypden có thể được thu hồi riêng biệt thông qua quá trình nung và hòa tan kiềm. Quá trình hòa tan anot điện hóa cũng đang được chuyển từ phòng thí nghiệm sang quy mô công nghiệp; trong hệ thống HCl 100 g/L, nồng độ niken có thể đạt 72,11 g/L, thích hợp để xử lý các vật liệu thu hồi hợp kim niken có diện tích bề mặt riêng lớn, chẳng hạn như phôi gia công và bụi mài.
Thép không gỉ là nguồn cung cấp niken tái chế lớn nhất, chiếm khoảng 80% lượng niken tiêu thụ trong các ứng dụng hạ nguồn. Tuy nhiên, lý do tái chế niken từ thép không gỉ hoàn toàn khác so với các hợp kim có giá trị cao: mục tiêu không phải là bảo tồn các đặc tính hiệu suất cực cao cụ thể, mà là thu hồi sắt, crom và niken cùng nhau trên quy mô lớn với chi phí thấp. Các nguyên liệu chính để tái chế phế liệu niken trong lĩnh vực này là bụi sinh ra trong quá trình nấu chảy và chế biến, bùn tẩy gỉ, tro thu gom bụi và vật liệu phế liệu thép không gỉ.
Quá trình khử luyện kim nhiệt và tách nóng chảy là những phương pháp chính để xử lý bụi thép không gỉ (SSD). Bùn tẩy gỉ và tro thu gom bụi được trộn lẫn, ép thành viên và thiêu kết trước khi đưa vào lò hồ quang điện để nấu chảy; quá trình khử bằng lò cảm ứng kết hợp với việc bổ sung ferrosilicon đạt được tỷ lệ thu hồi tổng cộng khoảng 95% đối với sắt, crom, niken và molypden. Các dây chuyền sản xuất ở châu Âu áp dụng phương pháp trực tiếp hơn: đơn vị Recyco của Aperam, hoạt động tại nhà máy Isbergues ở Pháp, sử dụng lò hồ quang điện để xử lý bụi và bùn từ xưởng nấu chảy thép không gỉ, thu hồi niken, crom và molypden thành hợp kim sắt, sau đó được đưa trở lại xưởng nấu chảy của chính công ty để thay thế niken nguyên chất. Quy trình tích hợp luyện kim nhiệt – luyện kim thủy giúp tăng hiệu suất thu hồi niken từ 82% lên 91% và hiệu suất thu hồi crom từ 75% lên 86%, nhờ đó giúp xử lý phế liệu cấp thấp có hàm lượng niken dưới 3% trở nên khả thi. Quy trình phụ trợ luyện kim thủy tập trung vào xử lý chất thải lỏng và bùn mịn sau khi tẩy gỉ, sử dụng phương pháp trích ly axit hoặc thẩm tách khuếch tán để thu hồi axit và ion kim loại. Đóng vai trò bổ sung cho quy trình luyện kim nhiệt, quy trình này phù hợp với các vật liệu có thành phần phức tạp và khối lượng xử lý nhỏ hơn.
Mục tiêu thu hồi chính trong quá trình điện phân clo-kiềm là lưới niken-rutheni , bao gồm chất nền niken nguyên chất được phủ một lớp kim loại quý rutheni trên bề mặt. Giá trị của niken trong các điện cực này không thể được xác định dựa trên giá "niken phế liệu"; chất nền niken chỉ đóng vai trò là chất mang, trong khi giá trị cốt lõi thực sự nằm ở rutheni. Do đó, phương pháp kỹ thuật không phải là "nấu chảy chúng để thu hồi niken", mà là trước tiên phải tách cẩn thận lớp phủ khỏi chất nền và sau đó thu hồi chúng riêng biệt.
Quá trình tách lớp tăng cường bao gồm việc đặt các điện cực đã qua sử dụng vào axit loãng và chiếu xạ siêu âm để tách lớp phủ kim loại quý khỏi chất nền niken; việc kiểm soát thời gian chiếu xạ là rất quan trọng đối với quy trình này. Sau khi lớp phủ được tách ra, nó trải qua quá trình tách, chiết xuất và tinh chế, và ruthenium được tinh chế thành ruthenium có độ tinh khiết cao để tái sử dụng trong chu trình công nghiệp, trong khi chất nền niken được tái chế thành vật liệu niken. Ở cấp độ công nghiệp, một hệ thống khép kín liên công ty đã được vận hành: Trong một dự án chung được khởi động vào tháng 2 năm 2025, Nobian cung cấp các điện cực điện phân đã qua sử dụng; Mastermelt và Furuya Metal chịu trách nhiệm tách chất xúc tác khỏi điện cực và chiết xuất, tinh chế các kim loại quý; Asahi Kasei xử lý lại các kim loại quý thu hồi được thành chất xúc tác được phủ lên các điện cực mới; và Nobian sau đó sử dụng các điện cực tái chế này cho quá trình điện phân nước mặn. Nobian đã xác nhận rằng hầu hết ruthenium và iridium có thể được thu hồi và tái sử dụng, cùng với titan và niken, để sản xuất các điện cực tái chế mới và khung điện phân. Asahi Kasei tin rằng mô hình này có thể được mở rộng sang việc tái chế các thành phần của hệ thống điện phân hydro xanh của họ.
Trong các nhà máy xử lý nước và cơ sở mạ điện, niken chủ yếu tồn tại dưới dạng ion hòa tan (trong chất lỏng thải của quá trình mạ điện) hoặc dưới dạng bùn/chất xúc tác đã qua sử dụng. Hỗn hợp này rất phức tạp, thường chứa sắt, nhôm, đồng và crom. Cốt lõi của công nghệ tái chế niken không nằm ở "việc có thể tách chiết được hay không", mà là làm thế nào để tinh chế niken đến độ tinh khiết có thể sử dụng được trong phạm vi chọn lọc nơi nhiều tạp chất cùng tồn tại. Niken thu hồi thường ở dạng các sản phẩm như niken sulfat và niken hydroxit, có thể được tái sử dụng trong quá trình mạ điện hoặc làm tiền chất cho pin.
Đối với bùn mạ điện, quy trình kết hợp rửa trôi bằng axit – kết tủa oxy hóa – chiết dung môi đã được chứng minh hiệu quả. Rửa trôi bằng axit sulfuric giúp hòa tan niken, đồng, sắt và nhôm vào dung dịch; sau đó, chiết xuất bằng P2O4 tách Fe và Al ra khỏi dung dịch rửa trôi, đạt hiệu suất loại bỏ Fe gần 100% và Al 99,5%, đồng thời hạn chế tổn thất niken xuống khoảng 16%. Phần cặn chiết xuất còn lại được tiếp tục chiết xuất niken bằng HBL 110, đạt hiệu suất thu hồi niken 98,5% và thu được sản phẩm niken sulfat cấp công nghiệp chứa 24,4% niken. Nếu mục tiêu là sản xuất niken cấp mạ điện, quá trình chiết xuất bằng P2O4 tiếp theo là loại bỏ tạp chất, bay hơi và kết tinh sẽ tạo ra tinh thể NiSO₄ chứa 25,4% Ni, có thể được đưa trực tiếp trở lại quy trình mạ niken hóa học. Các chất xúc tác đã qua sử dụng được xử lý theo một quy trình chiết tách chọn lọc riêng biệt: hệ thống amoniac-amoni clorua có thể chiết tách niken từ các chất xúc tác hydro hóa, và khi kết hợp với các chất chiết xuất tạo phức (như LIX65N), sẽ tạo ra sản phẩm niken có độ tinh khiết vượt quá 99,5%. Các dung môi eutectic và chất lỏng ion hiện đang được đánh giá như là các lựa chọn thay thế cho axit mạnh và bazơ mạnh, với mục tiêu đạt được sự chiết tách chọn lọc từ các chất xúc tác đã qua sử dụng và bùn mạ điện để giảm gánh nặng cho việc xử lý nước thải cuối nguồn.
Trong các thiết bị điện phân PEM và thiết bị điện phân nhiệt độ cao, niken tồn tại dưới dạng chất xúc tác hoặc vật liệu hoạt tính điện cực, thường kết hợp với các kim loại nhóm bạch kim khác (bạch kim, iridi, rutheni) và các nguyên tố đất hiếm. Thách thức trong việc thu hồi niken không nằm ở quá trình hòa tan hóa học mà ở quá trình tách vật lý: chất xúc tác được lắng đọng trên điện cực hoặc vật liệu màng dưới dạng các hạt cực mịn, với kích thước hạt xấp xỉ một phần trăm đường kính sợi tóc người. Các quy trình nấu chảy truyền thống không phù hợp với ứng dụng này, và các công nghệ tiên tiến đang tập trung vào việc tách hiệu quả các hạt mịn này.
Phương pháp chiết tách hạt lỏng-lỏng sử dụng hệ thống tuần hoàn dung môi-nước để tách chọn lọc các chất xúc tác catốt kỵ nước khỏi các chất xúc tác anốt ưa nước dựa trên sự khác biệt về tính kỵ nước. Phương pháp tuyển nổi kết tụ sử dụng chất kết dính kỵ nước—được sản xuất bằng công nghệ nhũ tương chuyên dụng—để kết tụ chọn lọc các hạt siêu mịn, sau đó được tách ra bằng cách bám dính bong bóng. Hai công nghệ tách hạt mịn bổ sung này có thể đạt tỷ lệ thu hồi lên đến 90% đối với các vật liệu chức năng quan trọng như bạch kim, iridi, paladi, các nguyên tố đất hiếm và niken. Máy điện phân nhiệt độ cao (SOEC) sử dụng niken và các nguyên tố đất hiếm làm vật liệu xúc tác chính, khác với hệ thống kim loại nhóm bạch kim trong máy điện phân PEM về vật liệu mục tiêu để thu hồi; tuy nhiên, logic đằng sau việc tách hạt mịn vẫn giống nhau. Về phía dịch vụ công nghiệp, phạm vi tái chế của Heraeus đã bao gồm MEA, CCM, tấm lưỡng cực và lớp vận chuyển xốp từ máy điện phân và pin nhiên liệu, cũng như chất thải sản xuất. Cơ chế tài khoản quỹ kim loại cho phép khách hàng ghi nhận kim loại thu hồi được vào tài khoản của họ, sau đó có thể được sử dụng để bù trừ vào việc mua sản phẩm mới, bán lại theo giá thị trường hoặc rút ra dưới dạng kim loại vật lý — nhờ đó tích hợp việc thu hồi niken vào quản lý tài sản kim loại của khách hàng.
Việc tái chế niken trong ngành sản xuất hydro thể hiện rõ đặc điểm của một hệ thống tái chế khép kín: mục tiêu không chỉ đơn thuần là chiết xuất niken, mà là chuyển đổi trực tiếp niken thu hồi được thành chất xúc tác điện hóa có thể sử dụng được và tái sử dụng chúng trong các thiết bị điện phân. Điện phân nước kiềm, điện phân nước AEM và điện phân nước biển đều phụ thuộc rất nhiều vào chất xúc tác gốc niken, trong khi ngành công nghiệp mạ điện lại tạo ra một lượng lớn nước thải chứa niken, tạo nên mối liên hệ trực tiếp giữa "chất thải và vật liệu chức năng" giữa hai ngành này.
Sử dụng phương pháp tổng hợp thủy nhiệt có thể mở rộng quy mô, Ni(OH)₂ và NiO được thu hồi từ nước thải mạ niken và được sử dụng trực tiếp làm chất xúc tác điện cực dương trong các tế bào điện phân nước màng trao đổi anion (AEMWE). Các tế bào AEMWE sử dụng các chất xúc tác niken tái chế này cho thấy hiệu suất tương đương với điện cực dương niken tham chiếu ở mật độ dòng điện quy mô công nghiệp, với mức giảm tối đa 0,25 V trong điện áp tế bào so với phản ứng tạo oxy. Đánh giá vòng đời xác nhận rằng việc kết hợp quá trình oxy hóa urê với việc thu hồi chất xúc tác niken có thể làm giảm đáng kể lượng khí thải CO₂ trong sản xuất hydro. Sử dụng nước thải mạ niken làm nguyên liệu đầu vào, các chất xúc tác gốc niken vô định hình có thể được điều chế nhanh chóng thông qua quá trình điện phân mật độ dòng điện cao. Quá trình này cho phép sản xuất amoniac đồng thời thông qua quá trình khử điện phân nitrat và thu hồi các ion niken, do đó tích hợp xử lý nước thải và tổng hợp chất xúc tác vào một quy trình duy nhất. Các phương pháp thu hồi niken hiện nay trong điện phân nước biển chủ yếu liên quan đến việc tái cấu trúc tại chỗ trên bề mặt điện cực và thu hồi các ion kim loại hòa tan bằng phương pháp điện phân. Mặc dù phương pháp này vẫn còn khá xa so với một hệ thống khép kín hoàn chỉnh bao gồm "tái chế chất xúc tác đã qua sử dụng và đưa chúng trở lại các tế bào điện phân nước biển", nhưng logic tái chế vật liệu của chất xúc tác gốc niken trong lộ trình này phù hợp với hệ thống AEM. Niken và coban thu hồi từ pin lithium-ion đã qua sử dụng cũng có thể được chuyển đổi thành chất xúc tác gốc niken cần thiết cho các phản ứng sản xuất hydro; ở đây, việc thu hồi hợp kim niken và phế liệu niken từ pin giao thoa với chuỗi cung ứng chất xúc tác sản xuất hydro.
Công nghệ sản xuất bồi đắp đang định hình lại động lực giá cả của việc tái chế niken từ hợp kim chịu nhiệt cao. Trong khi các phương pháp truyền thống làm giảm giá trị phế liệu hợp kim xuống thành nguyên liệu nấu chảy thông thường, phương pháp hiện tại liên quan đến việc trực tiếp nâng cấp phế liệu hợp kim chịu nhiệt cao gốc niken từ động cơ máy bay và tua bin khí thành bột in 3D. 6K Additive đã ký một thỏa thuận cung cấp toàn cầu dài hạn với Siemens Energy, theo đó Siemens Energy cung cấp cho 6K Additive bột hợp kim niken phế thải được tạo ra trong quá trình sản xuất bồi đắp. Sử dụng hệ thống plasma vi sóng UniMelt, 6K Additive chuyển đổi chất thải này thành bột phù hợp để tái sử dụng trong sản xuất bồi đắp. Đến nay, gần 20 tấn vật liệu đã được xử lý và đánh giá vòng đời cho thấy quy trình này giảm tiêu thụ năng lượng và lượng khí thải carbon hơn 90% so với sản xuất hợp kim gốc niken truyền thống. Continuum Powders đã thu hồi 16.182 kg phế liệu niken từ các cơ sở dịch vụ tua bin của Siemens Energy trong 5 tháng cuối năm 2024 và chuyển đổi nó thành bột kim loại cấp công nghiệp thông qua quá trình nguyên tử hóa plasma. Siemens Energy hiện đang đánh giá việc tái sử dụng loại bột tái chế này vào quy trình sản xuất của mình. Mô hình định giá phế liệu hợp kim chịu nhiệt cao đang chuyển từ "dựa trên hàm lượng kim loại" sang "dựa trên hiệu suất thu hồi của bột".
Dấu hiệu thương mại hóa trong lĩnh vực sản xuất clo-kiềm xuất phát từ việc triển khai các hệ thống khép kín liên doanh. Dự án hợp tác giữa Asahi Kasei, Nobian, Furuya Metal và Mastermelt đã bước vào giai đoạn thử nghiệm; vấn đề cốt lõi không phải là bản thân niken, mà là tính khả thi về kinh tế của việc tái chế ruthenium và iridium không đủ để duy trì hoạt động liên tục của toàn bộ hệ thống điện cực khép kín.
Sự khác biệt giữa xử lý nước và mạ điện nằm ở cấp độ sản phẩm: các dự án dừng lại ở giai đoạn "xử lý chất thải + thu hồi kim loại thô" hoạt động dựa trên phí xử lý cộng với chênh lệch giá kim loại, trong khi các dự án tiến tới sản xuất niken sunfat cấp độ mạ điện hoặc cấp độ pin sẽ xác định biên lợi nhuận dựa trên độ tinh khiết của sản phẩm. Loại thứ hai có ngưỡng vốn đầu tư cao hơn nhưng cũng có lòng trung thành của khách hàng mạnh mẽ hơn.
Có hai cách tiếp cận để ứng dụng thương mại các tế bào điện phân: tái chế toàn bộ tế bào hoặc tháo dỡ để thu hồi các vật liệu cụ thể theo nhu cầu. Việc tháo dỡ hoàn toàn các tế bào điện phân để tái chế thường có giá cao hơn! Công ty Tái chế Kim loại Quý DONGSHENG cung cấp phế liệu titan và niken từ các tế bào điện phân với giá cao hơn 15% so với giá thị trường.
Về phía sản xuất hydro, quy trình khép kín "niken tái chế → chất xúc tác sản xuất hydro" đã hoàn thành giai đoạn chứng minh tính khả thi và trình diễn ở quy mô kilogram, nhưng chưa có thực thể thương mại độc lập nào xuất hiện với chất xúc tác sản xuất hydro gốc niken tái chế làm sản phẩm cốt lõi. Một cách tiếp cận thực tế hơn trong ngắn hạn là tích hợp với các cơ sở xử lý nước thải mạ điện hiện có và các nhà cung cấp dịch vụ tái chế điện phân: các công ty mạ điện chuyển giao nước thải chứa niken cho các nhà tái chế chuyên biệt, những người sản xuất tiền chất chất xúc tác gốc niken và sau đó bán chúng cho các nhà sản xuất chất xúc tác hoặc điện cực điện phân nước.
Ngôn ngữ
