Le recyclage des déchets métalliques avec « ShAPE » pourrait changer nos habitudes de recyclage

Un meilleur recyclage

À mesure que la civilisation industrielle progresse dans le temps et à grande échelle, il devient évident que nous devons optimiser notre utilisation des ressources. L'une de ces activités est le recyclage des métaux, les matériaux à base de métal étant en théorie recyclables à l'infini.

En pratique, ce n’est pas si simple, car la plupart des flux de déchets contenant des métaux contiennent un mélange complexe de différents métaux. Parfois, cela vient du fait que les déchets sont un alliage, et parfois, le simple fait de mélanger les différents métaux dans le produit recyclé et de les trier serait trop complexe et/ou coûteux.

Cela crée un problème : la simple réutilisation de ce mélange de métaux créerait des produits de qualité inférieure, plus susceptibles de se plier ou de se casser que le métal fabriqué à partir de minerai frais, ce qui est potentiellement dangereux pour les utilisateurs finaux.

Par exemple, pour être recyclés, les déchets d’aluminium doivent être mélangés à 40 % d’aluminium fraîchement extrait et raffiné. Cela aide, mais il ne s’agit évidemment pas d’un « véritable » recyclage.

C'est pourquoi les chercheurs de Laboratoire national du nord-ouest du Pacifique (PNNL) ont développé une nouvelle méthode, appelée ShAPE (traitement et extrusion assistés par cisaillement). Ils ont publié comment cela fonctionne et pourquoi cela peut permettre un taux de recyclage de l'aluminium de 100 % dans la revue Nature Communications, sous le titre «Alliages d'aluminium à haute résistance recyclés à partir de déchets grâce à l'alliage en phase solide¹" .

Problèmes de recyclage de l'aluminium

En ce qui concerne l’aluminium, la plupart des coûts, tant financiers qu’énergétiques, ainsi que les émissions de CO2 qui en découlent, proviennent de la nécessité de refondre complètement l’aluminium, un métal à point de fusion élevé.

Il faut procéder ainsi car l'aluminium recyclé contient de petites impuretés, comme des amas de fer. Ceux-ci doivent être dilués avec de l'aluminium neuf pour créer un produit satisfaisant.

FORME

Au lieu de dépenser beaucoup d’énergie et de minerai frais supplémentaire pour simplement créer un produit en aluminium standard, les chercheurs du PNNL ont trouvé un moyen de créer un meilleur alliage d’aluminium sans toutes les étapes intermédiaires.

Ce procédé permet d’éviter les étapes de tri, de fusion et de moulage. Au lieu de cela, il alimente directement les déchets d’aluminium dans un procédé appelé « extrusion en phase solide », développé en 1993 par le Welding Institute au Royaume-Uni.

L'extrusion en phase solide utilise la friction au lieu de la chaleur pour faire fondre le métal, ce qui permet d'obtenir un mélange très homogène malgré une consommation d'énergie bien moindre. Vous pouvez le voir en action dans la courte vidéo ci-dessous :

La machine est dotée d'une tête rotative qui tourne 500 fois par minute avec un couple de 2,200 200,000 pieds-livres. L'autre extrémité de la machine contient une presse hydraulique capable d'exercer une force de XNUMX XNUMX livres contre la tête rotative.

Source: Communications Nature

Les déchets d'aluminium sont mélangés à de la poudre de cuivre (Cu), de la poudre de zinc (Zn) et des rubans de magnésium ZK60 (Mg). Lorsqu'ils sont mélangés uniformément, ils forment un produit en alliage d'aluminium à haute résistance en quelques minutes. En comparaison, le processus de recyclage traditionnel de l'aluminium prend plusieurs jours.

L’ensemble de la méthode consomme également 50 % d’énergie en moins.

Source: PNNL

Structure et performances supérieures

Analysée au microscope, la nouvelle méthode révèle une structure métallique radicalement différente. Le matériau recyclé présente des grains beaucoup plus petits (7.7 µm), par rapport à l'aluminium recyclé traditionnellement (43.1 µm).

Source: Communications Nature

Cela prouve que lors du processus ShAPE, des structures à l'échelle atomique appelées zones Guinier-Preston se forment au sein de l'alliage. Ces structures sont connues pour améliorer la résistance des alliages métalliques.

Cela conduit directement à des performances supérieures pour le métal recyclé, avec une résistance aux contraintes mécaniques 200 % supérieure à celle de l'alliage normalement recyclé.

Source: Communications Nature

Une autre amélioration apportée par cette méthode est que la production de profilés en aluminium, de tubes et d’autres pièces métalliques se fait à l’état solide, ce qui contribue potentiellement à développer un nouveau type d’alliage qui ne fonctionnerait pas avec les étapes de fusion traditionnelles.

L'alliage en phase solide est théoriquement applicable à n'importe quelle combinaison de métaux que vous pouvez imaginer, et le fait que la fabrication se déroule entièrement à l'état solide signifie que vous pouvez commencer à envisager des alliages totalement nouveaux que nous n'avons pas pu fabriquer auparavant.

Cindy Powell – Directrice scientifique et technologique pour l'énergie et l'environnement au PNNL

Au-delà de l’aluminium recyclé

Cette technique pourrait être déployée pour d’autres métaux difficiles à trier ou à recycler.

Il pourrait également être utilisé pour produire des alliages aux performances supérieures, comme des structures automobiles plus solides et plus sûres, ou pour utiliser moins de matière pour le même résultat.

La même méthode pourrait probablement être étendue à d’autres procédés de fabrication en phase solide. spray froid or friction-agitation soudage et transformation.

« Notre capacité à recycler les déchets est passionnante, mais ce qui m’enthousiasme le plus dans cette recherche, c’est que l’alliage en phase solide ne se limite pas aux alliages d’aluminium et aux matières premières de rebut.

Cindy Powell – Directrice scientifique et technologique pour l'énergie et l'environnement au PNNL

Impression 3D en métal

Enfin, cette méthode pourrait être utilisée pour créer une alimentation de haute qualité pour les imprimantes 3D métal.

Parce que la méthode ajoute une certaine quantité de métaux supplémentaires de manière précise, elle peut être utilisée pour créer des alliages sur mesure pour des besoins spécifiques de fabrication additive.

La structure 3D améliorée est également susceptible de contribuer à rendre le produit final imprimé en 3D extra-résistant.

« Il est difficile d'obtenir des fils d'alimentation avec des compositions personnalisées pour la fabrication additive à base de fils. L'alliage en phase solide est un moyen fantastique de produire des alliages sur mesure avec des compositions exactes telles que 2 % ou 5 % de cuivre. »

Xiao Li – scientifique des matériaux du PNNL

Entreprise de recyclage d'aluminium

Rayon de recyclage

À mesure que de nouvelles méthodes de recyclage améliorées sont développées, les acteurs établis du secteur ont tout intérêt à prendre des parts de marché aux producteurs primaires.

À mesure que nous recyclons de plus en plus de matériaux et que nous nous tournons vers l’électrification du chauffage et des transports, la quantité de travail pour les entreprises de recyclage est sur le point de croître lentement mais sûrement. Le marché du recyclage des métaux devrait passer de 915 milliards de dollars en 2024 à 1.29 billion de dollars en 2033, soit un TCAC de 3.9 %..

Fondée en 1906, Radius Recycling emploie actuellement plus de 3,500 100 personnes. Elle compte aujourd'hui plus de XNUMX sites de recyclage de métaux et d'automobiles au Canada et aux États-Unis, ainsi qu'un site de fabrication d'acier, ce qui en fait l'un des plus importants recycleurs de métaux de la région.

Source: Rayon de recyclage

L'entreprise traite à la fois :

• Métaux ferreux, contenant du fer, comme les câbles, les tambours, les toitures métalliques, les vélos, les automobiles, les appareils électroménagers, etc.
• Métaux non ferreux : aluminium, cuivre, acier inoxydable, zinc, batteries plomb-acide, fils, bobines, moteurs électriques, radiateurs, etc.

Dans le segment des métaux non ferreux, les métaux les plus importants sont le cuivre et l’aluminium.

Source: Rayon de recyclage

L'entreprise équilibre sa répartition du capital entre les actionnaires (avec un dividende versé chaque trimestre depuis son introduction en bourse en 1993, – pour un rendement de 4.5% au moment de la rédaction de cet article), le contrôle des coûts de la dette et le réinvestissement dans la croissance (y compris 2 nouveaux centres de récupération sur la côte ouest des États-Unis).

Dans l’ensemble, la société est un bon choix pour les investisseurs à la recherche d’une exposition à l’industrie du recyclage et à l’économie circulaire en général, d’un revenu de dividendes stable et d’une activité axée sur le marché nord-américain.

Référence de l'étude :

^{1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). Alliages d'aluminium à haute résistance recyclés à partir de déchets grâce à l'alliage en phase solide. Communication Nature, 15 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2}