‘ShAPE’ के साथ धातु कचरे का अपसाइक्लिंग हमारे रीसाइक्लिंग आदतों को बदल सकता है

बेहतर रीसाइक्लिंग

जैसे-जैसे औद्योगिक सभ्यता समय और पैमाने में आगे बढ़ती है, यह स्पष्ट हो जाता है कि हमें अपने संसाधनों के उपयोग को अनुकूलित करना चाहिए। ऐसी ही एक गतिविधि धातु रीसाइक्लिंग है, जहाँ सिद्धांत रूप में धातु‑आधारित सामग्री को अनंत तक पुनः उपयोग किया जा सकता है।

व्यावहारिक रूप में यह इतना सरल नहीं है, क्योंकि अधिकांश धातु‑सम्बन्धी कचरा प्रवाह में विभिन्न धातुओं का जटिल मिश्रण होता है। कभी‑कभी कचरा स्वयं एक मिश्रधातु होता है, और कभी‑कभी पुनः उपयोग किए गए उत्पाद में विभिन्न धातुओं को मिलाना और उन्हें अलग‑अलग करना बहुत जटिल और/या महंगा हो सकता है।

यह एक समस्या उत्पन्न करता है; केवल इस धातु मिश्रण को पुनः उपयोग करने से ऐसे घटिया उत्पाद बनेंगे जो ताज़ा अयस्क से बनी धातु की तुलना में अधिक मुड़ने या टूटने की प्रवृत्ति रखते हैं, जो अंतिम उपयोगकर्ताओं के लिए संभावित रूप से खतरनाक हो सकता है।

उदाहरण के लिए, एल्युमिनियम कचरे को रीसायकल करने के लिए इसे 40% ताज़ा निकाली और शुद्ध एल्युमिनियम के साथ मिलाना पड़ता है। यह मदद करता है, लेकिन यह स्पष्ट रूप से “सच्चा” रीसायकलिंग नहीं है।

इसी कारण शोधकर्ताओं ने Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) ने एक नई विधि विकसित की, जिसे ShAPE (शियर असिस्टेड प्रोसेसिंग और एक्सट्रूज़न) कहा जाता है। उन्होंने बताया कि यह कैसे काम करता है और क्यों यह एल्युमिनियम की 100% रीसायक्लिंग दर को संभव बना सकता है, जिसे उन्होंने जर्नल Nature Communications में शीर्षक “Upcycled high-strength aluminum alloys from scrap through solid-phase alloying¹” के तहत प्रकाशित किया।

एल्युमिनियम रीसायक्लिंग समस्याएँ

एल्युमिनियम के मामले में, अधिकांश लागतें—धन और ऊर्जा दोनों—और विभिन्न CO2 उत्सर्जन, एल्युमिनियम को पूरी तरह से पिघलाने की आवश्यकता से आती हैं, जो एक उच्च गलनांक वाली धातु है।

यह इसलिए आवश्यक है क्योंकि पुनः उपयोग किया गया एल्युमिनियम छोटे अशुद्धियों, जैसे लोहे के टुकड़ों, को शामिल करता है। इन्हें संतोषजनक उत्पाद बनाने के लिए ताज़ा एल्युमिनियम के साथ पतला करना पड़ता है।

ShAPE

सिर्फ एक मानक एल्युमिनियम उत्पाद बनाने के लिए बहुत सारी ऊर्जा और अतिरिक्त ताज़ा अयस्क खर्च करने के बजाय, PNNL के शोधकर्ताओं ने सभी मध्यवर्ती चरणों के बिना एक बेहतर एल्युमिनियम मिश्रधातु बनाने का तरीका खोजा।

यह प्रक्रिया सीधे सॉर्टिंग, पिघलाने और कास्टिंग चरणों को छोड़ देती है। इसके बजाय, यह एल्युमिनियम कचरे को सीधे एक प्रक्रिया में फीड करती है जिसे “सॉलिड‑फ़ेज़ एक्सट्रूज़न” कहा जाता है, जिसे 1993 में यूनाइटेड किंगडम के वेल्डिंग इंस्टीट्यूट ने विकसित किया था।

सॉलिड‑फ़ेज़ एक्सट्रूज़न धातु को पिघलाने के लिए गर्मी के बजाय घर्षण का उपयोग करता है, जिससे बहुत कम ऊर्जा का उपयोग करते हुए भी एक अत्यंत समान मिश्रण बनता है। आप इसे नीचे दिए गए छोटे वीडियो में देख सकते हैं:

मशीन में एक घूर्णन हेड है जो प्रति मिनट 500 बार घूमता है और 2,200 फुट‑पाउंड टॉर्क उत्पन्न करता है। मशीन के दूसरे सिरे पर एक हाइड्रॉलिक प्रेस है जो घूर्णन हेड के विरुद्ध 200,000 पाउंड बल लागू कर सकता है।

स्रोत: Nature Communications

एल्युमिनियम कचरे को तांबा (Cu) पाउडर, जस्ता (Zn) पाउडर, और ZK60 मैग्नीशियम (Mg) रिबन के साथ मिलाया जाता है। जब समान रूप से मिलाया जाता है, तो वे कुछ ही मिनटों में एक उच्च‑स्ट्रेंथ एल्युमिनियम मिश्रधातु उत्पाद बनाते हैं। तुलना में, पारंपरिक एल्युमिनियम रीसायक्लिंग प्रक्रिया को कई दिन लगते हैं।

पूरी विधि भी 50% कम ऊर्जा का उपभोग करती है।

स्रोत: PNNL

उत्कृष्ट संरचना एवं प्रदर्शन

जब माइक्रोस्कोप के तहत विश्लेषण किया जाता है, तो नई विधि एक मूल रूप से अलग धातु संरचना दर्शाती है। अपसाइक्ल्ड सामग्री में बहुत छोटे दाने (7.7 µm) दिखते हैं, जबकि पारंपरिक रूप से रीसायक्ल्ड एल्युमिनियम में (43.1 µm) बड़े दाने होते हैं।

स्रोत: Nature Communications

यह सिद्ध करता है कि ShAPE के दौरान, मिश्रधातु के भीतर गुइनियर‑प्रेस्टन ज़ोन नामक परमाणु‑स्तर की विशेषताएँ बनती हैं। इन विशेषताओं को धातु मिश्रधातुओं की शक्ति बढ़ाने के लिए व्यापक रूप से जाना जाता है।

यह सीधे अपसाइक्ल्ड धातु के लिए उत्कृष्ट प्रदर्शन की ओर ले जाता है, जहाँ यांत्रिक तनाव के प्रति प्रतिरोध सामान्य रीसायक्ल्ड मिश्रधातु की तुलना में 200% अधिक है।

स्रोत: Nature Communications

इस विधि द्वारा लाया गया एक और सुधार यह है कि एल्युमिनियम प्रोफ़ाइल, ट्यूब और अन्य धातु भागों का उत्पादन ठोस अवस्था में होता है, जो संभावित रूप से एक नई प्रकार की मिश्रधातु विकसित करने में मदद कर सकता है, जो पारंपरिक पिघलाने के चरणों के साथ काम नहीं करेगी।

सॉलिड‑फ़ेज़ एलॉयिंग सिद्धांत रूप में किसी भी धातु संयोजन पर लागू की जा सकती है जिसकी आप कल्पना कर सकते हैं, और यह तथ्य कि निर्माण पूरी तरह से ठोस अवस्था में होता है, इसका मतलब है कि आप पूरी तरह नई मिश्रधातुओं पर विचार शुरू कर सकते हैं जिन्हें हम पहले नहीं बना पाए थे।

Cindy Powell – PNNL में ऊर्जा और पर्यावरण के लिए मुख्य विज्ञान और प्रौद्योगिकी अधिकारी

रीसायक्ल्ड एल्युमिनियम से आगे बढ़ना

यह तकनीक उन अन्य धातुओं के लिए लागू की जा सकती है जो छांटने या रीसायक्लिंग में कठिन हैं।

इसे ऐसे मिश्रधातुओं के उत्पादन के लिए भी उपयोग किया जा सकता है जिनका प्रदर्शन बेहतर हो, जैसे अधिक मजबूत, सुरक्षित कार संरचनाएँ, या समान परिणाम के लिए कम सामग्री का उपयोग।

संभवतः यह वही विधि अन्य सॉलिड‑फ़ेज़ निर्माण प्रक्रियाओं तक भी विस्तारित की जा सकती है, जैसे कोल्ड स्प्रे या फ्रिक्शन स्टिर वेल्डिंग एवं प्रोसेसिंग।

स्क्रैप को अपसाइक्लिंग करने की हमारी क्षमता उत्साहजनक है, लेकिन इस शोध में मुझे सबसे अधिक उत्साहित करने वाली बात यह है कि सॉलिड‑फ़ेज़ एलॉयिंग केवल एल्युमिनियम मिश्रधातुओं और कचरा फीडस्टॉक्स तक सीमित नहीं है।

Cindy Powell – PNNL में ऊर्जा और पर्यावरण के लिए मुख्य विज्ञान और प्रौद्योगिकी अधिकारी

धातु 3D प्रिंटिंग

अंत में, इस विधि का उपयोग धातु 3D प्रिंटरों के लिए उच्च‑गुणवत्ता वाला फीड बनाने में किया जा सकता है।

क्योंकि यह विधि सटीक तरीके से अतिरिक्त धातुओं की एक निश्चित मात्रा जोड़ती है, इसे एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में विशिष्ट आवश्यकताओं के लिए अनुकूलित मिश्रधातुओं के निर्माण में उपयोग किया जा सकता है।

सुधारित 3D संरचना संभवतः अंतिम 3D प्रिंटेड उत्पाद को अतिरिक्त‑मजबूत बनाने में मदद करेगी।

वायर‑आधारित एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के लिए कस्टमाइज्ड संरचना वाले फीड वायर प्राप्त करना कठिन है। सॉलिड‑फ़ेज़ एलॉयिंग 2 प्रतिशत तांबा या 5 प्रतिशत तांबा जैसी सटीक संरचनाओं के साथ अनुकूलित मिश्रधातु बनाने का एक शानदार तरीका है।

एल्युमिनियम रीसायक्लिंग कंपनी

Radius Recycling

जैसे-जैसे सुधारित रीसायक्लिंग के नए तरीके विकसित किए जा रहे हैं, उद्योग में स्थापित खिलाड़ी प्राथमिक उत्पादकों से बाजार हिस्सेदारी लेकर लाभ उठा सकते हैं।

जैसे-जैसे हम अधिक से अधिक सामग्री को रीसायक्लिंग करते हैं, और हीटिंग व परिवहन के इलेक्ट्रिफिकेशन की ओर बढ़ते हैं, रीसायक्लिंग कंपनियों का कार्यभार धीरे‑धीरे लेकिन स्थिर रूप से बढ़ने वाला है। धातु रीसायक्लिंग बाजार की उम्मीद है कि 2024 में $915 बिलियन से 2033 तक $1.29 ट्रिलियन तक बढ़ेगा, या 3.9% CAGR।

Radius Recycling की स्थापना 1906 में हुई थी और वर्तमान में 3,500+ कर्मचारियों को नियुक्त करता है। इसके पास कनाडा और USA में 100+ धातु और ऑटोमोबाइल रीसायक्लिंग साइटें हैं, साथ ही एक स्टील निर्माण साइट भी है, जिससे यह क्षेत्र की सबसे बड़ी धातु रीसायक्लर्स में से एक बन जाता है।

स्रोत: Radius Recycling

कंपनी दोनों को प्रोसेस करती है:

• फेरस धातुएँ, जिनमें आयरन होता है, जैसे केबल, ड्रम, धातु की छत, साइकिल, ऑटोमोबाइल, उपकरण आदि।
• नॉन‑फेरस धातुएँ: एल्युमिनियम, तांबा, स्टेनलेस स्टील, जस्ता, लीड‑एसिड बैटरियां, वायर, कॉइल, इलेक्ट्रिकल मोटर्स, रेडिएटर आदि।

नॉन‑फेरस खंड में सबसे बड़ी धातुएँ तांबा और एल्युमिनियम हैं।

स्रोत: Radius Recycling

कंपनी अपने पूंजी आवंटन को शेयरधारकों (1993 में सार्वजनिक होने के बाद से हर तिमाही में लाभांश भुगतान – लेख लिखते समय 4.5% प्रतिफल) के बीच, ऋण लागत को नियंत्रित करने और विकास में पुनर्निवेश (जिसमें US पश्चिमी तट पर 2 नए रिकवरी सेंटर शामिल हैं) के बीच संतुलित कर रही है।

समग्र रूप से, कंपनी उन निवेशकों के लिए एक अच्छा विकल्प है जो रीसायक्लिंग उद्योग और समग्र सर्कुलर इकोनॉमी में एक्सपोजर, स्थिर लाभांश आय, और उत्तर अमेरिकी बाजार पर केंद्रित गतिविधियों की तलाश में हैं।

अध्ययन संदर्भ:

^{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}