Meningkatkan Daur Ulang Limbah Logam dengan ‘ShAPE’ Dapat Mengubah Kebiasaan Daur Ulang Kita

Daur Ulang yang Lebih Baik

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.

Dalam praktik, hal ini tidak sesederhana itu, karena sebagian besar aliran limbah yang mengandung logam memiliki campuran kompleks dari berbagai logam. Kadang‑kadang, limbah tersebut berupa paduan, dan kadang, hanya mencampur logam‑logam yang berbeda dalam produk daur ulang dan memisahkannya akan terlalu rumit dan/atau mahal.

Ini menimbulkan masalah; hanya menggunakan kembali campuran logam ini akan menghasilkan produk inferior yang lebih mudah bengkok atau patah dibandingkan logam yang dibuat dari bijih baru, yang berpotensi berbahaya bagi pengguna akhir.

Sebagai contoh, untuk didaur ulang, serpihan aluminium harus dicampur dengan 40% aluminium yang baru ditambang dan diproses. Ini membantu, namun jelas bukan daur ulang yang “sebenarnya”.

Inilah mengapa peneliti di Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) telah mengembangkan metode baru, yang disebut ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion). Mereka mempublikasikan cara kerjanya dan mengapa metode ini dapat memungkinkan tingkat daur ulang aluminium 100% dalam jurnal Nature Communications, dengan judul “Aluminium paduan tinggi kekuatan yang di‑upcycle dari limbah melalui aloying fase padat¹”.

Masalah Daur Ulang Aluminium

Ketika berbicara tentang aluminium, sebagian besar biaya, baik uang maupun energi, serta emisi CO2 yang beragam, berasal dari keharusan melelehkan kembali aluminium sepenuhnya, sebuah logam dengan titik leleh tinggi.

Hal ini harus dilakukan karena aluminium daur ulang mengandung kotoran kecil, seperti gumpalan besi. Kotoran ini perlu diencerkan dengan aluminium baru untuk menghasilkan produk yang memuaskan.

ShAPE

Alih‑alih menghabiskan banyak energi dan bijih baru tambahan hanya untuk membuat produk aluminium standar, peneliti PNNL menemukan cara untuk menciptakan paduan aluminium yang lebih baik tanpa semua langkah perantara.

Proses ini langsung melewati langkah penyortiran, peleburan, dan pengecoran. Sebagai gantinya, serpihan aluminium langsung dimasukkan ke dalam proses yang disebut “solid-phase extrusion”, yang dikembangkan pada tahun 1993 oleh Welding Institute di Britania Raya.

Solid-phase extrusion menggunakan gesekan alih‑alih panas untuk melelehkan logam, menghasilkan campuran yang sangat homogen meskipun menggunakan jauh lebih sedikit energi. Anda dapat melihatnya beraksi dalam video singkat di bawah ini:

Mesin ini memiliki kepala berputar yang berputar 500 kali per menit dengan torsi 2.200 foot‑pound. Ujung lain mesin dilengkapi dengan press hidrolik yang dapat memberikan gaya 200.000 pon terhadap kepala berputar.

Sumber: Nature Communications

Serpihan aluminium dicampur dengan serbuk tembaga (Cu), serbuk seng (Zn), dan pita magnesium (Mg) ZK60. Ketika tercampur secara merata, mereka membentuk produk paduan aluminium berdaya tinggi dalam hitungan menit. Sebagai perbandingan, proses daur ulang aluminium tradisional memakan waktu berhari‑hari.

Seluruh metode ini juga mengonsumsi energi 50% lebih sedikit.

Sumber: PNNL

Struktur & Performa Superior

Ketika dianalisis di bawah mikroskop, metode baru ini menunjukkan struktur logam yang sangat berbeda. Material yang di‑upcycle menampilkan butir yang jauh lebih kecil (7,7 µm), dibandingkan aluminium yang didaur ulang secara tradisional (43,1 µm).

Sumber: Nature Communications

Ini membuktikan bahwa selama proses ShAPE, fitur skala atomik yang disebut zona Guinier‑Preston terbentuk di dalam paduan. Fitur‑fitur ini dikenal dapat meningkatkan kekuatan pada paduan logam.

Hal ini secara langsung menghasilkan kinerja superior untuk logam yang di‑upcycle, dengan ketahanan terhadap stres mekanik 200% lebih tinggi dibandingkan paduan yang didaur ulang secara normal.

Sumber: Nature Communications

Perbaikan lain yang dibawa oleh metode ini adalah bahwa produksi profil aluminium, tabung, dan bagian logam lainnya terjadi dalam keadaan padat, berpotensi membantu mengembangkan jenis paduan baru yang tidak dapat diproduksi dengan tahap peleburan tradisional.

Solid phase alloying secara teoritis dapat diterapkan pada kombinasi logam apa pun yang dapat Anda bayangkan, dan fakta bahwa manufaktur terjadi sepenuhnya dalam keadaan padat berarti Anda dapat mulai mempertimbangkan paduan baru yang sebelumnya tidak dapat kami buat.

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

Melebihi Aluminium Daur Ulang

Teknik ini dapat diterapkan pada logam lain yang sulit dipisahkan atau didaur ulang.

Ia juga dapat digunakan untuk menghasilkan paduan yang memiliki kinerja superior, seperti struktur mobil yang lebih kuat dan aman, atau untuk menggunakan lebih sedikit material dengan hasil yang sama.

Metode yang sama juga kemungkinan dapat diperluas ke proses manufaktur fase padat lainnya, seperti cold spray atau friction stir welding & processing.

Our ability to upcycle scrap is exciting, but the thing that excites me the most about this research is that solid phase alloying is not just limited to aluminum alloys and junk feedstocks.

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

Pencetakan 3D Logam

Akhirnya, metode ini dapat digunakan untuk menciptakan bahan umpan berkualitas tinggi bagi printer 3D logam.

Karena metode ini menambahkan sejumlah logam tambahan secara tepat, ia dapat digunakan untuk membuat paduan yang disesuaikan untuk kebutuhan spesifik dalam manufaktur aditif.

Struktur 3D yang ditingkatkan juga kemungkinan membantu membuat produk cetak 3D akhir menjadi sangat kuat.

Sulit memperoleh kawat umpan dengan komposisi khusus untuk manufaktur aditif berbasis kawat. Solid phase alloying adalah cara fantastis untuk menghasilkan paduan yang disesuaikan dengan komposisi tepat seperti 2 persen tembaga atau 5 persen tembaga.

Xiao Li – PNNL materials scientist

Perusahaan Daur Ulang Aluminium

Radius Recycling

Seiring metode baru untuk meningkatkan daur ulang dikembangkan, pemain mapan dalam industri ini dapat memperoleh manfaat dengan mengambil pangsa pasar dari produsen utama.

Seiring kami mendaur ulang lebih banyak material, serta beralih ke elektrifikasi pemanasan dan transportasi, volume pekerjaan bagi perusahaan daur ulang diperkirakan akan tumbuh perlahan namun stabil. Pasar daur ulang logam diperkirakan akan tumbuh dari $915 Miliar pada 2024 menjadi $1,29 Triliun pada 2033, atau CAGR 3,9%.

Radius Recycling didirikan pada tahun 1906 dan saat ini mempekerjakan lebih dari 3.500 karyawan. Saat ini memiliki lebih dari 100 lokasi untuk daur ulang logam dan otomotif di seluruh Kanada dan AS, serta satu situs produksi baja, menjadikannya salah satu perusahaan daur ulang logam terbesar di wilayah tersebut.

Sumber: Radius Recycling

Perusahaan memproses keduanya:

• Logam ferrous, yang mengandung besi, seperti kabel, drum, atap logam, sepeda, mobil, peralatan rumah tangga, dll.
• Logam non‑ferrous: aluminium, tembaga, stainless steel, seng, baterai timbal‑asam, kawat, kumparan, motor listrik, radiator, dll.

Dalam segmen non‑ferrous, logam terbesar adalah tembaga dan aluminium.

Sumber: Radius Recycling

Perusahaan menyeimbangkan alokasi modalnya antara pemegang saham (dengan dividen yang dibayarkan setiap kuartal sejak go public pada 1993, dengan hasil 4,5% pada saat penulisan artikel ini), mengendalikan biaya utang, dan reinvestasi dalam pertumbuhan (termasuk 2 pusat pemulihan baru di Pantai Barat AS).

Secara keseluruhan, perusahaan ini merupakan pilihan yang baik bagi investor yang mencari eksposur ke industri daur ulang dan ekonomi sirkular secara keseluruhan, pendapatan dividen yang stabil, serta aktivitas yang berfokus pada pasar Amerika Utara.

Referensi Studi:

^{1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). Aluminium paduan tinggi kekuatan yang di‑upcycle dari limbah melalui aloying fase padat. Nature Communications, 15, 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2}