Il recupero di scarti metallici con ‘ShAPE’ potrebbe cambiare le nostre abitudini di riciclo

Miglior Riciclo

La crescita industriale rende sempre più importante utilizzare bene le risorse. I metalli possono essere riciclati ripetutamente, ma conservarne la qualità richiede il controllo della composizione, delle impurità e delle perdite di materiale.

I rifiuti contengono spesso miscele complesse di metalli. Talvolta si tratta di leghe; in altri casi, separare i componenti di un prodotto è difficile o costoso.

Riutilizzare una miscela senza controllarne la composizione può produrre proprietà inadatte all’applicazione. Non significa che tutti i metalli riciclati siano inferiori a quelli ottenuti da minerali: contano il processo e le specifiche del prodotto.

In alcuni processi si aggiunge alluminio primario per diluire le impurità. La proporzione dipende dal rottame e dal prodotto desiderato; non esiste un obbligo universale di aggiungere il 40% di alluminio appena estratto.

I ricercatori del Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) hanno studiato una tecnica chiamata ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion). Su Nature Communications hanno descritto come valorizzare rottami di alluminio mediante alligazione allo stato solido. Il titolo dello studio è «Leghe di alluminio ad alta resistenza ottenute da rottami mediante alligazione allo stato solido¹».

Problemi del riciclo dell’alluminio

La produzione di alluminio primario richiede molta energia, soprattutto per l’elettrolisi. Il riciclo ne utilizza generalmente meno, anche se la rifusione richiede calore e altri trattamenti. Non tutti i costi e le emissioni dipendono dalla temperatura di fusione.

Il ferro e altre impurità possono limitare le proprietà di determinate leghe. Diluirli con alluminio primario è una possibilità; la composizione e il processo appropriati dipendono dal prodotto.

ShAPE

I ricercatori hanno studiato come trasformare rottami di alluminio in una lega di maggior valore senza le fasi convenzionali di fusione e colata.

La lavorazione allo stato solido utilizza rottami selezionati e additivi senza fondere l’intera massa. Non significa che qualsiasi miscela di rifiuti non selezionati sia utilizzabile direttamente. ShAPE combina taglio ed estrusione per mescolare e sagomare il metallo.

L’attrito genera calore e facilita deformazione e mescolamento mentre il metallo rimane allo stato solido. Non si tratta quindi di fondere il metallo mediante attrito. Il video seguente mostra il processo:

L’apparecchiatura descritta ha una testa che ruota a 500 giri al minuto, con una coppia di 2.200 libbre-piede. Una pressa idraulica può applicare fino a 200.000 libbre-forza contro la testa.

Fonte: Nature Communications

I rottami vengono mescolati con polveri di rame e zinco e nastri della lega di magnesio ZK60. Il processo consente di ottenere una lega ad alta resistenza in pochi minuti, evitando diverse fasi del percorso convenzionale.

Evitare la fusione dell’intera massa può ridurre il consumo energetico. Il risparmio effettivo dipende dal processo e dai confini del confronto; non viene qui stabilita una riduzione universale del 50%.

Fonte: PNNL

Microstruttura e proprietà meccaniche

Nei campioni confrontati, entrambi sottoposti a estrusione per attrito, la lega valorizzata aveva grani di circa 7,7 micrometri, rispetto ai 43,1 micrometri dell’alluminio 6063 riciclato di riferimento. Non è un confronto universale con tutto l’alluminio riciclato convenzionalmente.

Fonte: Nature Communications

L’analisi ha individuato zone di Guinier–Preston su scala atomica. Queste strutture possono rafforzare le leghe di alluminio e contribuiscono a spiegarne le proprietà.

Nelle condizioni sperimentali, la lega valorizzata ha mostrato miglioramenti superiori al 200% del limite di snervamento e della resistenza ultima a trazione rispetto al riferimento riciclato. Non significa un miglioramento identico di ogni proprietà o di tutti i metalli.

Fonte: Nature Communications

Produrre profili, tubi e altri componenti allo stato solido può anche aprire possibilità per composizioni difficili da ottenere con la fusione convenzionale.

L’alligazione allo stato solido potrebbe ampliare le combinazioni di metalli producibili. Evitando la fusione, permette di esplorare leghe problematiche per i metodi convenzionali.

Cindy Powell, responsabile scientifica e tecnologica per energia e ambiente al PNNL

Andare Oltre il Riciclo dell’Alluminio

La tecnica potrebbe essere studiata anche per altri metalli difficili da separare o riciclare. La fattibilità va valutata per ciascuna composizione.

Leghe con proprietà migliori potrebbero consentire strutture automobilistiche più resistenti o ridurre il materiale necessario. Queste applicazioni richiedono progettazione e verifica adeguate.

Il concetto di alligazione allo stato solido potrebbe essere adattato anche ad altri processi, come la spruzzatura a freddo  o la saldatura  e la lavorazione per attrito e rimescolamento.

La valorizzazione dei rottami è promettente, ma l’interesse dell’alligazione allo stato solido va oltre i rifiuti e le leghe di alluminio.

Cindy Powell, responsabile scientifica e tecnologica per energia e ambiente al PNNL

Stampa 3D Metallica

Un’altra possibilità è produrre filo a composizione controllata per la fabbricazione additiva di metalli.

L’aggiunta precisa di altri metalli consente di adattare la composizione a esigenze specifiche della fabbricazione additiva.

Se il filo viene fuso durante la stampa 3D, non conserva automaticamente la microstruttura iniziale. Le proprietà del pezzo finale devono essere valutate per il processo di stampa utilizzato.

Ottenere fili di alimentazione con composizioni personalizzate può essere difficile. L’alligazione allo stato solido offre una via per controllare proporzioni specifiche, per esempio il 2% o il 5% di rame.

Xiao Li, ricercatore di scienza dei materiali al PNNL

Azienda di Riciclo dell’Alluminio

Radius Recycling

Le imprese di riciclo potrebbero beneficiare di nuovi processi. La possibilità di guadagnare quote rispetto ai produttori primari dipende da costi, adozione e domanda e non è garantita.

Il riciclo e l’elettrificazione potrebbero accrescere la domanda di recupero dei metalli. La previsione citata stimava un aumento del mercato da 915 miliardi di dollari nel 2024 a 1.290 miliardi nel 2033, con un tasso annuo composto del 3,9%.

Secondo le informazioni storiche dell’articolo, Radius Recycling fu fondata nel 1906 e aveva oltre 3.500 dipendenti, più di 100 impianti di riciclo di metalli e automobili negli Stati Uniti e in Canada e un impianto siderurgico.

Fonte: Radius Recycling

L’azienda tratta:

• Metalli ferrosi, contenenti ferro, provenienti da prodotti come fusti, coperture, biciclette, automobili ed elettrodomestici. Anche l’acciaio inossidabile contiene ferro, sebbene possa essere separato in una categoria commerciale specifica.
• Metalli non ferrosi, come alluminio, rame, zinco e piombo, recuperati da cavi, bobine, motori, radiatori o batterie al piombo-acido.

Rame e alluminio sono i metalli principali del segmento non ferroso.

Fonte: Radius Recycling

L’articolo descriveva una ripartizione del capitale fra dividendi, costi del debito e reinvestimenti, compresi due nuovi centri di recupero sulla costa occidentale statunitense. Citava dividendi trimestrali dalla quotazione del 1993 e un rendimento del 4,5% alla data dell’articolo. Sono dati storici, non garanzie di pagamenti futuri.

L’azienda offriva esposizione al riciclo e all’economia circolare nel Nord America. L’adeguatezza dell’investimento dipende dal prezzo, dai rischi e dalle circostanze dell’investitore; i dividendi non sono garantiti.

Riferimento allo studio:

^{1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). Leghe di alluminio ad alta resistenza ottenute da rottami mediante alligazione allo stato solido. Nature Communications, 15, 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2}