Metallijätteen upcycling ‘ShAPE’ -menetelmällä voi muuttaa kierrätystottumuksiamme

Parempi kierrätys

Kun teollinen sivilisaatio kehittyy ajassa ja mittakaavassa, käy selväksi, että meidän on optimoitava resurssien käyttö. Yksi tällainen toiminta on metallinkierrätys, jossa metallipohjainen materiaali on teoriassa kierrätettävissä loputtomiin.

Käytännössä tämä ei ole niin yksinkertaista, sillä suurin osa metallijätteistä sisältää monimutkaisen sekoituksen erilaisia metalleja. Joskus jäte on seosta, ja joskus pelkkä eri metallien sekoittaminen kierrätystuotteessa ja niiden lajittelu olisi liian monimutkaista ja/tai kallista.

Tämä aiheuttaa ongelman; pelkkä tämän metalliseoksen uudelleenkäyttö tuottaisi heikompia tuotteita, jotka taipuvat tai murtuvat todennäköisemmin kuin raaka‑öljystä valmistettu metalli, mikä voi olla vaarallista loppukäyttäjille.

Esimerkiksi alumiinijätteet on kierrätettävä sekoittamalla ne 40 %:lla vastavalmistettua ja jalostettua alumiinia. Tämä auttaa, mutta se ei selvästi ole “todellista” kierrätystä.

Tämän vuoksi Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ovat kehittäneet uuden menetelmän, nimeltään ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion). He ovat julkaisseet, miten se toimii ja miksi se voi mahdollistaa 100 % alumiinin kierrätysasteen Nature Communications-lehdessä otsikolla “Uudelleenkäytetyt korkean lujuuden alumiiniseokset romusta kiinteävaiheisen seostamisen avulla¹”.

Alumiinin kierrätysongelmat

Kun kyse on alumiinista, suurin osa kustannuksista, sekä rahallisista että energiakustannuksista, sekä erilaiset CO₂-päästöt johtuvat siitä, että alumiini on sulatettava kokonaan takaisin, mikä on metalli, jonka sulamispiste on korkea.

Tämä on tehtävä, koska kierrätetty alumiini sisältää pieniä epäpuhtauksia, kuten rautapaloja. Ne on laimennettava raudan kanssa, jotta saadaan tyydyttävä tuote.

ShAPE

Sen sijaan, että kulutettaisiin paljon energiaa ja lisärauta vain tavallisen alumiinituotteen valmistamiseen, PNNL:n tutkijat löysivät tavan luoda parempi alumiiniseos ilman kaikkia välikäsitteitä.

Tämä prosessi ohittaa suoraan lajittelu‑, sulatus‑ ja valutusvaiheet. Sen sijaan alumiinijätteet syötetään suoraan prosessiin, jota kutsutaan “solid-phase extrusion” –menetelmäksi, jonka kehitti Yhdistyneen kuningaskunnan Welding Institute vuonna 1993.

Solid-phase extrusion käyttää kitkaa lämmön sijaan metallin sulattamiseen, mikä tuottaa erittäin homogeenisen seoksen käyttäen huomattavasti vähemmän energiaa. Voit nähdä sen toiminnassa lyhyessä videossa alla:

Koneessa on pyörivä pää, joka pyörii 500 kertaa minuutissa 2 200 foot‑poundin vääntömomentilla. Koneen toisessa päässä on hydraulipaine, joka pystyy kohdistamaan 200 000 paunan voiman pyörivään päähän.

Lähde: Nature Communications

Alumiinijätteet sekoitetaan kuparijauheen (Cu), sinkki (Zn) -jauheen ja ZK60 magnesium (Mg) -nauhojen kanssa. Kun ne sekoitetaan tasaisesti, ne muodostavat korkean lujuuden alumiiniseoksen muutamassa minuutissa. Verrattuna perinteiseen alumiinin kierrätysprosessiin, joka kestää päiviä.

Koko menetelmä kuluttaa myös 50 % vähemmän energiaa.

Lähde: PNNL

Ylivoimainen rakenne & suorituskyky

Kun sitä tarkastellaan mikroskoopilla, uusi menetelmä osoittaa radikaalisti erilaisen metallirakenteen. Upcycling‑materiaali näyttää paljon pienempiä rakeita (7,7 µm) verrattuna perinteisesti kierrätettyyn alumiiniin (43,1 µm).

Lähde: Nature Communications

Tämä osoittaa, että ShAPE‑prosessin aikana seoksessa muodostuu atomitasoisia ominaisuuksia, joita kutsutaan Guinier‑Preston -vyöhykkeiksi. Näiden ominaisuuksien on tunnettu parantavan metalliseosten lujuutta.

Se johtaa suoraan ylivoimaiseen suorituskykyyn upcycling‑metallille, jonka mekaanisen rasituksen kestävyys on 200 % korkeampi kuin tavallisesti kierrätetyssä seoksessa.

Lähde: Nature Communications

Toinen tämän menetelmän tuoma parannus on se, että alumiiniprofiilien, putkien ja muiden metalliosien tuotanto tapahtuu kiinteässä tilassa, mikä voi mahdollistaa uudenlaisen seoksen kehittämisen, joka ei toimisi perinteisissä sulatusvaiheissa.

Kiinteävaiheinen seostaminen on teoreettisesti sovellettavissa mihin tahansa metalliyhdistelmään, jonka voit kuvitella, ja se, että valmistus tapahtuu kokonaan kiinteässä tilassa, tarkoittaa, että voit alkaa harkita täysin uusia seoksia, joita emme ole aiemmin pystyneet valmistamaan.

Cindy Powell – Chief science and technology officer for energy and environment at PNNL

Kohti kierrätetyn alumiinin ylittämistä

Tätä tekniikkaa voitaisiin käyttää myös muissa metalleissa, jotka ovat vaikeita lajitella tai kierrättää.

Sitä voitaisiin myös käyttää seosten valmistamiseen, joilla on parempi suorituskyky, kuten vahvemmat, turvallisemmat auton rakenteet, tai käyttää vähemmän materiaalia saman tuloksen saavuttamiseksi.

Sama menetelmä voitaisiin todennäköisesti laajentaa myös muihin kiinteävaiheisiin valmistusprosesseihin, kuten kylmäruiskutus tai kitkavääntö‑hitsaus prosessointi.

“Kyky upcycle‑romua on innostavaa, mutta eniten innostaa tässä tutkimuksessa se, että kiinteävaiheinen seostaminen ei rajoitu pelkästään alumiiniseoksiin ja romumateriaaleihin.

Cindy Powell – Chief science and technology officer for energy and environment at PNNL

Metallinen 3D‑tulostus

Lopuksi tätä menetelmää voitaisiin käyttää korkealaatuisen syötteen luomiseen metallisille 3D‑tulostimille.

Koska menetelmä lisää tarkasti tietyn määrän ylimääräisiä metalleja, sitä voidaan käyttää räätälöityjen seosten luomiseen erityistarpeisiin lisävalmistuksessa.

Parannettu 3D‑rakenne auttaa todennäköisesti tekemään lopullisesta 3D‑tulostetusta tuotteesta erityisen vahvan.

“On vaikea saada syötelankoja, joilla on räätälöidyt koostumukset lankupohjaiseen lisävalmistukseen. Kiinteävaiheinen seostaminen on loistava tapa tuottaa räätälöityjä seoksia tarkkoine koostumuksineen, kuten 2 % kuparia tai 5 % kuparia.”

Xiao Li – PNNL materials scientist

Alumiinin kierrätysyhtiö

Radius Recycling

Kun uusia parannettuja kierrätysmenetelmiä kehitetään, alan vakiintuneet toimijat voivat hyötyä ottamalla markkinaosuutta ensisijaisilta tuottajilta.

Kun kierrätämme yhä enemmän materiaalia ja siirrymme lämmityksen ja liikenteen sähköistymiseen, kierrätysyritysten työmäärä on odotettavissa kasvavan hitaasti mutta tasaisesti. Metallinkierrätysmarkkinan odotetaan kasvavan 915  miljardia dollaria vuonna 2024 1,29  biljoonaan dollaria vuoteen 2033, mikä vastaa 3,9 % CAGR:ia.

Radius Recycling perustettiin vuonna 1906 ja työllistää nykyään yli 3 500 työntekijää. Sillä on yli 100 paikkaa metallin ja autojen kierrätykseen ympäri Kanadaa ja Yhdysvaltoja, sekä yksi teräksen valmistuspaikka, mikä tekee siitä alueen suurimpia metallinkierrättäjiä.

Lähde: Radius Recycling

Yritys käsittelee sekä:

• Rautametallit, jotka sisältävät rautaa, kuten kaapelit, tynnyrit, metallikatot, polkupyörät, autot, kodinkoneet jne.
• Ei‑rautametallit: alumiini, kupari, ruostumaton teräs, sinkki, lyijyakut, johdot, kelat, sähkömoottorit, jäähdyttimet jne.

Ei‑rautametallisegmentissä suurimmat metallit ovat kupari ja alumiini.

Lähde: Radius Recycling

Yritys tasapainottaa pääomansa jakamista osakkeenomistajien (osinko maksetaan neljännesvuosittain vuodesta 1993 lähtien, 4,5 %:n tuotto tällä artikkelin kirjoitushetkellä), velkakustannusten hallinnan ja kasvuun uudelleensijoittamisen (mukaan lukien kaksi uutta kierrätyskeskusta Yhdysvaltain länsirannikolla) välillä.

Kaiken kaikkiaan yritys on hyvä valinta sijoittajille, jotka etsivät altistumista kierrätysalaan ja kokonaisvaltaiseen kiertotalouteen, vakaata osinkotuloa ja toimintaa, joka keskittyy Pohjois-Amerikan markkinoihin.

Opintoviite:

^{1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). Uudelleenkäytetyt korkean lujuuden alumiiniseokset romusta kiinteävaiheisen seostamisen avulla. Nature Communications, 15, 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2}