Ανακύκλωση Αποβλήτων Μετάλλων με το ‘ShAPE’ μπορεί να αλλάξει τις συνήθειες ανακύκλωσής μας

Καλύτερη Ανακύκλωση

Καθώς η βιομηχανική δραστηριότητα διευρύνεται, γίνεται ολοένα πιο σημαντική η αποδοτική χρήση των πόρων. Η ανακύκλωση μετάλλων μπορεί να συμβάλει σε αυτό, καθώς τα μέταλλα μπορούν θεωρητικά να ανακυκλώνονται επανειλημμένα.

Στην πράξη, όμως, πολλά ρεύματα μεταλλικών αποβλήτων περιέχουν σύνθετα μείγματα. Αυτό μπορεί να οφείλεται στη σύσταση των κραμάτων ή στην ανάμειξη διαφορετικών υλικών κατά τη συλλογή. Ο διαχωρισμός τους μπορεί να είναι πολύπλοκος και δαπανηρός.

Η ανεξέλεγκτη επαναχρησιμοποίηση τέτοιων μειγμάτων μπορεί να δώσει προϊόντα με υποδεέστερες μηχανικές ιδιότητες, περισσότερο επιρρεπή σε παραμόρφωση ή θραύση. Η ποιότητα εξαρτάται από τη σύσταση και την επεξεργασία του υλικού.

Σε ορισμένες συμβατικές εφαρμογές, τα υπολείμματα αλουμινίου αναμειγνύονται με πρωτογενές αλουμίνιο για να αραιωθούν οι ανεπιθύμητες προσμείξεις. Η αναλογία 40% που αναφέρεται στο άρθρο δεν αποτελεί γενική απαίτηση για κάθε διαδικασία ανακύκλωσης.

Για τον λόγο αυτό, ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου Βορειοδυτικού Ειρηνικού (PNNL) ανέπτυξαν τη μέθοδο ShAPE (επεξεργασία και εξώθηση υποβοηθούμενες από διάτμηση). Δημοσίευσαν στο Nature Communications πώς μπορεί να αναβαθμίσει υπολείμματα αλουμινίου χωρίς προσθήκη πρωτογενούς αλουμινίου, με τον τίτλο «Upcycled high-strength aluminum alloys from scrap through solid-phase alloying¹».

Προβλήματα Ανακύκλωσης Αλουμινίου

Η ανακύκλωση αλουμινίου απαιτεί ενέργεια για την επανατήξη και την επεξεργασία του. Ωστόσο, η παραγωγή πρωτογενούς αλουμινίου από μετάλλευμα είναι πολύ πιο ενεργοβόρα. Η αποφυγή της τήξης κατά την ανακύκλωση μπορεί να μειώσει περαιτέρω την κατανάλωση ενέργειας και τις σχετικές εκπομπές.

Τα υπολείμματα αλουμινίου μπορεί να περιέχουν ανεπιθύμητα στοιχεία, όπως σίδηρο. Στη συμβατική επεξεργασία, η προσθήκη πρωτογενούς αλουμινίου μπορεί να μειώσει τη συγκέντρωσή τους, ώστε το τελικό κράμα να πληροί τις απαιτούμενες προδιαγραφές.

ShAPE

Οι ερευνητές του PNNL ανέπτυξαν έναν τρόπο παραγωγής κράματος αλουμινίου υψηλότερης αντοχής από υπολείμματα, αποφεύγοντας ορισμένα ενδιάμεσα στάδια της συμβατικής επεξεργασίας.

Στη μελέτη, κατάλληλα υπολείμματα αλουμινίου υποβλήθηκαν απευθείας σε εξώθηση στερεάς φάσης, χωρίς προηγούμενη τήξη και χύτευση. Η εξώθηση στερεάς φάσης αναπτύχθηκε το 1993 από το βρετανικό Welding Institute. Αυτό δεν σημαίνει ότι κάθε αδιαχώριστο ρεύμα αποβλήτων μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς προετοιμασία.

Η εξώθηση στερεάς φάσης χρησιμοποιεί τριβή και πίεση για να πλαστικοποιήσει και να αναμείξει το μέταλλο. Η τριβή παράγει θερμότητα, αλλά το υλικό δεν λιώνει συνολικά. Η διαδικασία παρουσιάζεται στο παρακάτω βίντεο:

Η μηχανή διαθέτει περιστρεφόμενη κεφαλή με ταχύτητα 500 περιστροφών ανά λεπτό και ροπή 2.200 ποδόλιβρων. Στο άλλο άκρο, μια υδραυλική πρέσα μπορεί να ασκήσει δύναμη 200.000 λιβρών προς την κεφαλή.

Πηγή: Nature Communications

Τα υπολείμματα αλουμινίου αναμειγνύονται με σκόνη χαλκού (Cu), σκόνη ψευδαργύρου (Zn) και ταινίες κράματος μαγνησίου ZK60. Η ομοιόμορφη ανάμειξη παράγει κράμα αλουμινίου υψηλής αντοχής μέσα σε λίγα λεπτά. Η συμβατική διαδρομή παραγωγής αντίστοιχου κράματος περιλαμβάνει περισσότερα στάδια και μπορεί να διαρκέσει ημέρες.

Η αποφυγή της επανατήξης και άλλων σταδίων μπορεί να περιορίσει την ενεργειακή κατανάλωση. Η εξοικονόμηση εξαρτάται από τη διαδικασία αναφοράς και τα όρια της σύγκρισης· δεν τεκμηριώνεται μια καθολική μείωση 50% για κάθε εφαρμογή.

Πηγή: PNNL

Ανώτερη Δομή & Επιδόσεις

Η μικροσκοπική ανάλυση έδειξε διαφορετική μικροδομή. Το αναβαθμισμένο κράμα είχε μέσο μέγεθος κόκκων 7,7 μm, έναντι 43,1 μm στο ανακυκλωμένο κράμα 6063 που χρησιμοποιήθηκε για σύγκριση. Και τα δύο υλικά είχαν υποβληθεί σε εξώθηση με τριβή.

Πηγή: Nature Communications

Η μελέτη εντόπισε επίσης ζώνες Guinier–Preston, χαρακτηριστικά ατομικής κλίμακας που συμβάλλουν στην ενίσχυση των μεταλλικών κραμάτων.

Στις συγκεκριμένες δοκιμές, το αναβαθμισμένο κράμα παρουσίασε βελτίωση άνω του 200% τόσο στο όριο διαρροής όσο και στην αντοχή σε εφελκυσμό σε σχέση με το κράμα αναφοράς. Το αποτέλεσμα δεν ισοδυναμεί με καθολική βελτίωση κάθε μηχανικής ιδιότητας.

Πηγή: Nature Communications

Η παραγωγή προφίλ, σωλήνων και άλλων εξαρτημάτων σε στερεή κατάσταση θα μπορούσε επίσης να επιτρέψει τη δημιουργία κραμάτων που είναι δύσκολο να παραχθούν μέσω συμβατικής τήξης.

Η κραματοποίηση στερεάς φάσης είναι θεωρητικά εφαρμόσιμη σε οποιονδήποτε συνδυασμό μετάλλων μπορείτε να φανταστείτε. Επειδή η παραγωγή πραγματοποιείται εξ ολοκλήρου σε στερεή κατάσταση, μπορούμε να αρχίσουμε να εξετάζουμε εντελώς νέα κράματα που προηγουμένως δεν μπορούσαμε να κατασκευάσουμε.

Cindy Powell — επικεφαλής επιστήμης και τεχνολογίας για την ενέργεια και το περιβάλλον στο PNNL

Πέρα από το Ανακυκλωμένο Αλουμίνιο

Η τεχνική θα μπορούσε να εφαρμοστεί και σε άλλα μέταλλα που είναι δύσκολο να διαχωριστούν ή να ανακυκλωθούν.

Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή κραμάτων με βελτιωμένες ιδιότητες, για παράδειγμα για ανθεκτικότερες κατασκευές αυτοκινήτων ή για την επίτευξη της ίδιας απόδοσης με λιγότερο υλικό.

Η προσέγγιση θα μπορούσε επίσης να επεκταθεί σε άλλες διεργασίες παραγωγής στερεάς φάσης, όπως ο ψυχρός ψεκασμός ή η συγκόλληση και επεξεργασία με τριβή και ανάδευση.

Η δυνατότητα αναβάθμισης των αποβλήτων μας είναι συναρπαστική. Αυτό που με ενθουσιάζει περισσότερο, όμως, είναι ότι η κραματοποίηση στερεάς φάσης δεν περιορίζεται στα κράματα αλουμινίου και στις πρώτες ύλες από απορρίμματα.

Cindy Powell — επικεφαλής επιστήμης και τεχνολογίας για την ενέργεια και το περιβάλλον στο PNNL

Μεταλλική 3Δ Εκτύπωση

Τέλος, η μέθοδος θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή πρώτης ύλης υψηλής ποιότητας για τρισδιάστατους εκτυπωτές μετάλλων.

Η ελεγχόμενη προσθήκη άλλων μετάλλων επιτρέπει τη διαμόρφωση της σύστασης του κράματος για συγκεκριμένες ανάγκες της προσθετικής κατασκευής.

Η δυνατότητα ελέγχου της σύστασης μπορεί να είναι χρήσιμη στην τρισδιάστατη εκτύπωση. Ωστόσο, όταν το υλικό τήκεται κατά την εκτύπωση, η αρχική μικροδομή του δεν διατηρείται αυτομάτως και η τελική αντοχή πρέπει να αξιολογείται χωριστά.

Είναι δύσκολο να παραχθούν σύρματα τροφοδοσίας με προσαρμοσμένη σύσταση για την προσθετική κατασκευή με σύρμα. Η κραματοποίηση στερεάς φάσης αποτελεί εξαιρετικό τρόπο παραγωγής προσαρμοσμένων κραμάτων με ακριβείς συνθέσεις, όπως 2% ή 5% χαλκό.

Xiao Li — επιστήμονας υλικών στο PNNL

Εταιρεία Ανακύκλωσης Αλουμινίου

Radius Recycling

Καθώς αναπτύσσονται καλύτερες μέθοδοι ανακύκλωσης, οι καθιερωμένες επιχειρήσεις του κλάδου θα μπορούσαν να ωφεληθούν από την αυξημένη χρήση δευτερογενών υλικών αντί πρωτογενών. Η εμπορική αξιοποίηση κάθε νέας τεχνολογίας παραμένει ξεχωριστό ζήτημα.

Η μεγαλύτερη αξιοποίηση ανακυκλωμένων υλικών και ο εξηλεκτρισμός της θέρμανσης και των μεταφορών μπορούν να ενισχύσουν τη ζήτηση για υπηρεσίες ανακύκλωσης. Η πρόβλεψη αγοράς που παρατίθεται στο άρθρο εκτιμούσε αύξηση από 915 δισ. δολάρια το 2024 σε 1,29 τρισ. δολάρια έως το 2033, με σύνθετο ετήσιο ρυθμό ανάπτυξης 3,9%. Πρόκειται για πρόβλεψη, όχι για βέβαιο αποτέλεσμα.

Η Radius Recycling ιδρύθηκε το 1906. Σύμφωνα με τα στοιχεία που παρουσιάζονται για το 2024, απασχολούσε περισσότερους από 3.500 εργαζομένους και διέθετε πάνω από 100 εγκαταστάσεις ανακύκλωσης μετάλλων και αυτοκινήτων στον Καναδά και τις ΗΠΑ, καθώς και μία μονάδα παραγωγής χάλυβα.

Πηγή: Radius Recycling

Η εταιρεία επεξεργάζεται τις ακόλουθες κατηγορίες υλικών:

• Σιδηρούχα μέταλλα: υλικά που περιέχουν σίδηρο, όπως χαλύβδινα βαρέλια, μεταλλικές στέγες, ποδήλατα, αυτοκίνητα και οικιακές συσκευές.
• Μη σιδηρούχα μέταλλα και άλλα ανακτώμενα υλικά: αλουμίνιο, χαλκός, ψευδάργυρος, μπαταρίες μολύβδου-οξέος, σύρματα, πηνία, ηλεκτρικοί κινητήρες και ψυγεία. Η εταιρεία ανακτά επίσης ανοξείδωτο χάλυβα, ο οποίος περιέχει σίδηρο και δεν είναι χημικά μη σιδηρούχο μέταλλο.

Στον τομέα των μη σιδηρούχων μετάλλων, οι σημαντικότερες κατηγορίες είναι ο χαλκός και το αλουμίνιο.

Πηγή: Radius Recycling

Η εταιρεία κατανέμει κεφάλαια μεταξύ μερισμάτων, διαχείρισης του κόστους δανεισμού και επενδύσεων για ανάπτυξη, μεταξύ άλλων σε δύο νέα κέντρα ανάκτησης στη δυτική ακτή των ΗΠΑ. Το άρθρο ανέφερε τριμηνιαίες πληρωμές μερισμάτων από την εισαγωγή στο χρηματιστήριο το 1993 και μερισματική απόδοση περίπου 4,5% κατά τον χρόνο συγγραφής. Η απόδοση μεταβάλλεται με την τιμή της μετοχής και τα μελλοντικά μερίσματα δεν είναι εγγυημένα.

Η εταιρεία προσφέρει έκθεση στον κλάδο της ανακύκλωσης και την κυκλική οικονομία, με δραστηριότητες κυρίως στη Βόρεια Αμερική. Η καταλληλότητα της μετοχής εξαρτάται από την αποτίμηση, την οικονομική κατάσταση της εταιρείας και τους κινδύνους του κλάδου.

Αναφορά Μελέτης:

^{1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). Upcycled high-strength aluminum alloys from scrap through solid-phase alloying. Nature Communications, 15, 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2}