‘ShAPE’를 이용한 금속 폐기물 업사이클링이 우리의 재활용 습관을 바꿀 수 있다

더 나은 재활용

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.

실제로는 그렇지 않습니다. 대부분의 금속 폐기물 흐름은 다양한 금속이 복합적으로 섞여 있기 때문입니다. 때로는 폐기물이 합금 형태이고, 때로는 재활용 제품에 서로 다른 금속을 혼합하고 이를 분리하는 것이 너무 복잡하거나 비용이 많이 듭니다.

이로 인해 문제가 발생합니다. 이러한 금속 혼합물을 그대로 재사용하면 신선한 광석으로 만든 금속보다 휘어지거나 부러지기 쉬운 품질이 낮은 제품이 만들어져 최종 사용자에게 위험할 수 있습니다.

예를 들어, 알루미늄 스크랩을 재활용하려면 40%의 신선하게 채굴·정제된 알루미늄과 혼합해야 합니다. 이는 도움이 되지만 명백히 “진정한” 재활용이라고 할 수는 없습니다.

This is why researchers at the Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) have developed a new method, called ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion). They published how it works and why it can allow for a 100% aluminum recycling rate in the journal Nature Communications, under the title “Upcycled high-strength aluminum alloys from scrap through solid-phase alloying¹“.

알루미늄 재활용 문제

When it comes to aluminum, most of the costs, both money and energy, as well as the assorted CO2 emissions, come from having to completely melt back aluminum, a metal with a high melting point.

This has to be done because recycled aluminum contains small impurities, like clumps of iron. These need to be diluted with fresh aluminum to create a satisfying product.

ShAPE

Instead of spending a lot of energy and additional fresh ore to just create a standard aluminum product, the PNNL researchers found a way to create a better aluminum alloy without all the intermediary steps.

This process directly skips the sorting, melting, and casting steps. Instead, it feeds the aluminum scraps directly into a process called “solid-phase extrusion”, developed in 1993 by the Welding Institute in the United Kingdom.

Solid-phase extrusion uses friction instead of heat to melt the metal, leading to a very homogeneous mix despite using a lot less energy. You can see it in action in the short video below:

The machine has a rotating head that spins 500 times a minute with 2,200 foot-pounds of torque. The other end of the machine contains a hydraulic press capable of exerting 200,000 pounds of force against the rotating head.

출처: Nature Communications

The aluminum scraps are mixed with copper (Cu) powder, zinc (Zn) powder, and ZK60 magnesium (Mg) ribbons. When uniformly mixed together, they form a high-strength aluminum alloy product in a matter of minutes. In comparison, the traditional aluminum recycling process takes days.

The whole method also consumes 50% less energy.

출처: PNNL

우수한 구조 및 성능

When analyzed under a microscope, the new method demonstrates a radically different metallic structure. The upcycled material displays much smaller grains (7.7 µm), compared to the traditionally recycled aluminum (43.1 µm).

출처: Nature Communications

This proves that during ShAPE, atomic-scale features called Guinier-Preston zones form within the alloy. These features are well known to improve strength in metal alloys.

It directly leads to superior performance for the upcycled metal, with resistance to mechanical stress 200% higher than the normally recycled alloy.

출처: Nature Communications

Another improvement brought by this method is that the production of aluminum profile, tubes, and other metal parts happens in solid-state, potentially helping to develop a new type of alloy that would not work with the traditional melting stages.

고상 합금은 이론적으로 상상할 수 있는 모든 금속 조합에 적용 가능하며, 제조가 완전히 고상 상태에서 이루어진다는 사실은 이전에 만들 수 없었던 완전히 새로운 합금을 고려할 수 있게 합니다.

Cindy Powell – PNNL 에너지 및 환경 담당 최고 과학기술 책임자

재활용 알루미늄을 넘어선 발전

This technique could be deployed for other metals that are hard to sort or recycle.

It could also be used to produce alloys that have superior performance, such as stronger, safer car structures, or to use less material for the same result.

The same method could also probably be expanded to other solid-phase manufacturing processes. , like cold spray or friction stir welding & processing.

“우리의 스크랩 업사이클링 능력은 흥미롭지만, 이 연구에서 가장 흥미로운 점은 고상 합금이 알루미늄 합금과 폐자재에만 국한되지 않는다는 것입니다.

Cindy Powell – PNNL 에너지 및 환경 담당 최고 과학기술 책임자

금속 3D 프린팅

Lastly, this method could be used to create a high-quality feed for metal 3D printers.

Because the method adds a certain amount of extra metals in a precise way, it can be used to create tailored alloys for specific needs in additive manufacturing.

The improved 3D structure is also likely to help make the final 3D printed product extra-strong.

“와이어 기반 적층 제조를 위해 맞춤형 조성을 가진 공급 와이어를 얻는 것은 어렵습니다. 고상 합금은 2% 구리 또는 5% 구리와 같이 정확한 조성의 맞춤형 합금을 생산하는 환상적인 방법입니다.”

Xiao Li – PNNL 소재 과학자

알루미늄 재활용 기업

Radius Recycling

향상된 재활용을 위한 새로운 방법이 개발됨에 따라, 업계의 기존 기업들은 1차 생산자로부터 시장 점유율을 빼앗아 이익을 얻을 수 있습니다.

우리가 점점 더 많은 재료를 재활용하고 난방 및 운송의 전기화로 전환함에 따라, 재활용 기업들의 업무량은 서서히 그러나 꾸준히 증가할 것으로 보입니다. 금속 재활용 시장은 2024년 9,150억 달러에서 2033년 1조 2,900억 달러로 성장할 것으로 예상되며, 연평균 성장률은 3.9%입니다.

Radius Recycling은 1906년에 설립되었으며 현재 3,500명 이상의 직원을 고용하고 있습니다. 캐나다와 미국 전역에 100개 이상의 금속 및 자동차 재활용 시설과 하나의 철강 제조 시설을 보유하고 있어, 이 지역에서 가장 큰 금속 재활용업체 중 하나입니다.

출처: Radius Recycling

The company processes both:

• 철을 함유한 철금속(케이블, 드럼, 금속 지붕, 자전거, 자동차, 가전제품 등).
• 비철금속: 알루미늄, 구리, 스테인리스 스틸, 아연, 납산 배터리, 와이어, 코일, 전동기, 라디에이터 등.

In the nonferrous segment, the largest metals are copper and aluminum.

출처: Radius Recycling

The company is balancing its capital allocation between shareholders (with a dividend paid every quarter since going public in 1993,  – at a yield of 4.5% at the time of writing of this article), controlling debt costs, and reinvestment in growth (including 2 new recovery centers on the US West Coast).

Overall, the company is a good pick for investors looking for exposure to the recycling industry and overall circular economy, a stable dividend income, and activity focused on the North American market.

연구 참고문헌:

^{1. Wang, T., Li, X., Li, Z., et al. (2024). 스크랩을 통한 고상 합금을 이용한 고강도 알루미늄 합금의 업사이클링. Nature Communications, 15, 10664. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53062-2}