Le recyclage des déchets métalliques avec ‘ShAPE’ pourrait changer nos habitudes de recyclage

Meilleur recyclage

As industrial civilization progresses in time and scale, it becomes clear that we need to optimize our resource utilization. One such activity is metal recycling, with metal-based material, in theory, recyclable endlessly.

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

Cela crée un problème ; réutiliser simplement ce mélange métallique produirait des produits inférieurs, plus susceptibles de se plier ou de se casser que le métal issu de minerai frais, ce qui peut être dangereux pour les utilisateurs finaux.

Par exemple, pour être recyclées, les chutes d’aluminium doivent être mélangées à 40 % d’aluminium fraîchement extrait et raffiné. Cela aide, mais ce n’est évidemment pas du « vrai » recyclage.

C’est pourquoi des chercheurs du Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ont développé une nouvelle méthode, appelée ShAPE  (Shear Assisted Processing and Extrusion). Ils ont publié son fonctionnement et les raisons pour lesquelles elle peut permettre un taux de recyclage de l’aluminium de 100 % dans la revue Nature Communications, sous le titre “Upcycled high-strength aluminum alloys from scrap through solid-phase alloying¹“.

Problèmes du recyclage de l’aluminium

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

Cela doit être fait parce que l’aluminium recyclé contient de petites impuretés, comme des agrégats de fer. Celles‑ci doivent être diluées avec de l’aluminium frais pour obtenir un produit satisfaisant.

ShAPE

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

Ce procédé saute directement les étapes de tri, de fusion et de coulée. Au lieu de cela, il alimente les chutes d’aluminium directement dans un processus appelé « solid‑phase extrusion », 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 donne un mélange très homogène tout en consommant beaucoup moins d’énergie. Vous pouvez la voir en action dans la courte vidéo ci‑dessous :

La machine possède une tête rotative qui tourne à 500 tours par minute avec un couple de 2 200 foot‑pounds. L’autre extrémité de la machine comprend une presse hydraulique capable d’exercer 200 000 livres de force contre la tête rotative.

Source: Nature Communications

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

L’ensemble du procédé consomme également 50 % d’énergie en moins.

Source: PNNL

Structure supérieure et performances

Lorsqu’il est analysé au microscope, le nouveau procédé montre une structure métallique radicalement différente. Le matériau upcyclé présente des grains beaucoup plus petits (7,7 µm) comparés à l’aluminium recyclé traditionnellement (43,1 µm).

Source: Nature Communications

Cela prouve que, pendant le processus ShAPE, des caractéristiques à l’échelle atomique appelées zones de Guinier‑Preston se forment dans l’alliage. Ces caractéristiques sont bien connues pour améliorer la résistance des alliages métalliques.

Cela conduit directement à des performances supérieures pour le métal upcyclé, avec une résistance aux contraintes mécaniques 200 % plus élevée que celle de l’alliage recyclé habituel.

Source: Nature Communications

Un autre avantage de cette méthode est que la production de profilés d’aluminium, de tubes et d’autres pièces métalliques se fait à l’état solide, ce qui pourrait aider 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 toute 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 de tout nouveaux alliages que nous n’avions pas pu fabriquer auparavant.

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

Aller au-delà du recyclage de l’aluminium

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

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

Le même procédé pourrait probablement être étendu à d’autres processus de fabrication en phase solide, comme cold spray ou friction stir welding & processing.

Notre capacité à upcycler les déchets est enthousiasmante, mais ce qui me passionne 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 – Chief science and technology officer for energy and environment at PNNL

Impression 3D métallique

Enfin, ce procédé pourrait être utilisé pour créer une alimentation de haute qualité pour les imprimantes 3D métalliques.

Parce que le procédé ajoute une certaine quantité de métaux supplémentaires de manière précise, il peut être utilisé pour créer des alliages sur mesure répondant à des besoins spécifiques en fabrication additive.

La structure 3D améliorée devrait également contribuer à rendre le produit final imprimé en 3D extra‑solide.

Il est difficile d’obtenir des fils d’alimentation avec des compositions personnalisées pour la fabrication additive basée sur le fil. L’alliage en phase solide est une façon fantastique de produire des alliages sur mesure avec des compositions exactes, comme 2 % de cuivre ou 5 % de cuivre.

Xiao Li – PNNL materials scientist

Entreprise de recyclage de l’aluminium

Radius Recycling

À mesure que de nouvelles méthodes de recyclage amélioré sont développées, les acteurs établis du secteur peuvent en bénéficier en prenant des parts de marché aux producteurs primaires.

Alors que nous recyclons de plus en plus de matériaux et que nous nous orientons vers l’électrification du chauffage et du transport, le volume de travail des entreprises de recyclage devrait croître lentement mais régulièrement. The metal recycling market is expected to grow from $915B in 2024 to $1.29T by 2033, or a 3.9% CAGR.

Radius Recycling a été fondée en 1906 et emploie actuellement plus de 3 500 salariés. Elle possède aujourd’hui plus de 100 sites de recyclage de métaux et d’automobiles à travers le Canada et les États‑Unis, ainsi qu’un site de production d’acier, ce qui en fait l’un des plus grands recycleurs de métaux de la région.

Source: Radius Recycling

L’entreprise traite les deux:

• Métaux ferreux, contenant du fer, comme les câbles, les tambours, les toitures métalliques, les bicyclettes, les automobiles, les appareils électroménagers, etc.
• Métaux non ferreux: aluminium, cuivre, acier inoxydable, zinc, batteries au 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: Radius Recycling

L’entreprise équilibre son allocation de capital entre les actionnaires (avec un dividende versé chaque trimestre depuis son introduction en bourse en 1993, à un rendement de 4,5 % au moment de la rédaction de cet article), le contrôle des coûts d’endettement et le réinvestissement dans la croissance (y compris deux nouveaux centres de récupération sur la côte ouest des États‑Unis).

Dans l’ensemble, l’entreprise constitue un bon choix pour les investisseurs cherchant une exposition à l’industrie du recyclage et à l’économie circulaire globale, un revenu de dividendes stable, et une activité axée sur le marché nord‑américain.

Référence de l’étude:

^{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}