Metaalafval Upcyclen met ‘ShAPE’ Kan Onze Recyclinggewoonten Veranderen

Betere Recycling

Naarmate de industriële beschaving in tijd en omvang vordert, wordt duidelijk dat we ons grondstofgebruik moeten optimaliseren. Een dergelijke activiteit is metaals recycling, waarbij metaalgebaseerd materiaal in theorie eindeloos recyclebaar is.

In de praktijk is dit niet zo eenvoudig, omdat de meeste afvalstromen met metaal een complexe mengeling van verschillende metalen bevatten. Soms komt dit doordat het afval een legering is, en soms zou het simpelweg mengen van de verschillende metalen in het gerecyclede product en ze vervolgens scheiden te complex en/of kostbaar zijn.

Dit schept een probleem; het simpelweg hergebruiken van deze metaalmix zou inferieure producten opleveren die eerder buigen of breken dan metaal gemaakt van verse erts, wat potentieel gevaarlijk kan zijn voor de eindgebruikers.

Bijvoorbeeld, om aluminiumschroot te recyclen moet het gemengd worden met 40 % vers gedolven en geraffineerd aluminium. Dit helpt, maar het is duidelijk geen “echte” recycling.

Dit is waarom onderzoekers van het Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) een nieuwe methode hebben ontwikkeld, genaamd ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion). Ze publiceerden hoe het werkt en waarom het een recyclingpercentage van 100 % voor aluminium kan mogelijk maken in het tijdschrift Nature Communications, onder de titel “Upcycled high-strength aluminum alloys from scrap through solid-phase alloying¹“.

Problemen bij Aluminiumrecycling

Als het om aluminium gaat, komen de meeste kosten, zowel financieel als energetisch, evenals de diverse CO₂‑emissies, voort uit het volledig moeten smelten van aluminium, een metaal met een hoog smeltpunt.

Dit moet gebeuren omdat gerecycled aluminium kleine onzuiverheden bevat, zoals ijzerklonten. Deze moeten verdund worden met vers aluminium om een bevredigend product te creëren.

ShAPE

In plaats van veel energie en extra vers erts te verbruiken om slechts een standaard aluminiumproduct te maken, hebben de PNNL‑onderzoekers een manier gevonden om een beter aluminiumlegering te creëren zonder alle tussenstappen.

Dit proces slaat direct de sorteer‑, smelt‑ en gietstappen over. In plaats daarvan worden de aluminiumschrooten rechtstreeks gevoed in een proces dat “solid‑phase extrusion” wordt genoemd, ontwikkeld in 1993 door het Welding Institute in het Verenigd Koninkrijk.

Solid‑phase extrusion gebruikt wrijving in plaats van warmte om het metaal te smelten, wat leidt tot een zeer homogene mengeling ondanks het veel lagere energieverbruik. Je kunt het in actie zien in de korte video hieronder:

De machine heeft een roterend hoofd dat 500 keer per minuut draait met 2.200 foot‑pounds koppel. Het andere uiteinde van de machine bevat een hydraulische pers die 200.000 pond kracht kan uitoefenen tegen het roterende hoofd.

Bron: Nature Communications

De aluminiumschrooten worden gemengd met koper (Cu) poeder, zink (Zn) poeder en ZK60 magnesium (Mg) linten. Wanneer ze uniform gemengd zijn, vormen ze binnen enkele minuten een hoogsterkte aluminiumlegering. Ter vergelijking duurt het traditionele aluminiumrecyclingproces dagen.

De gehele methode verbruikt ook 50 % minder energie.

Bron: PNNL

Superieure Structuur & Prestaties

Wanneer onder een microscoop geanalyseerd, toont de nieuwe methode een radicaal andere metallische structuur. Het upgecyclede materiaal vertoont veel kleinere korrels (7,7 µm) vergeleken met traditioneel gerecycled aluminium (43,1 µm).

Bron: Nature Communications

Dit bewijst dat tijdens ShAPE atomaire kenmerken, zogenaamde Guinier‑Preston zones, zich vormen binnen de legering. Deze kenmerken staan bekend om de sterkte van metaallegeringen te verbeteren.

Het leidt direct tot superieure prestaties voor het upgecyclede metaal, met een weerstand tegen mechanische spanning die 200 % hoger is dan die van de normaal gerecyclede legering.

Bron: Nature Communications

Een andere verbetering die deze methode brengt, is dat de productie van aluminiumprofielen, buizen en andere metalen onderdelen in vaste toestand plaatsvindt, wat potentieel helpt bij het ontwikkelen van een nieuw type legering dat niet zou werken met de traditionele smeltstadia.

Solid phase alloying is theoretically applicable to any metal combination that you can imagine, and the fact that manufacturing occurs wholly in the solid state means you can begin to consider totally new alloys that we’ve not been able to make before.

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

Voorbij Gerecycled Aluminium Gaan

Deze techniek zou ingezet kunnen worden voor andere metalen die moeilijk te sorteren of te recyclen zijn.

Het zou ook gebruikt kunnen worden om legeringen te produceren met superieure prestaties, zoals sterkere, veiligere autostructuren, of om minder materiaal te gebruiken voor hetzelfde resultaat.

Dezelfde methode zou waarschijnlijk ook uitgebreid kunnen worden naar andere solid‑phase productietechnieken, zoals cold spray of 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

Metaal 3D-printen

Tot slot zou deze methode gebruikt kunnen worden om een hoogwaardige feed voor metaal‑3D‑printers te creëren.

Omdat de methode een bepaalde hoeveelheid extra metalen op een precieze manier toevoegt, kan ze worden gebruikt om op maat gemaakte legeringen te maken voor specifieke behoeften in additive manufacturing.

De verbeterde 3D‑structuur zal waarschijnlijk ook helpen om het uiteindelijke 3D‑geprinte product extra sterk te maken.

“It’s difficult to obtain feed wires with customized compositions for wire-based additive manufacturing. Solid phase alloying is a fantastic way to produce tailored alloys with exact compositions such as 2 percent copper or 5 percent copper.”

Xiao Li – PNNL materials scientist

Aluminium Recyclingbedrijf

Radius Recycling

Naarmate nieuwe methoden voor verbeterde recycling worden ontwikkeld, zullen gevestigde spelers in de sector profiteren door marktaandeel van primaire producenten over te nemen.

Terwijl we steeds meer materiaal recyclen en overstappen op elektrificatie van verwarming en transport, staat de hoeveelheid werk voor recyclingbedrijven klaar om langzaam maar gestaag te groeien. The metal recycling market is expected to grow from $915B in 2024 to $1.29T by 2033, or a 3.9% CAGR.

Radius Recycling werd opgericht in 1906 en heeft momenteel meer dan 3.500 werknemers. Het heeft meer dan 100 locaties voor metaal‑ en automobielrecycling in heel Canada en de VS, evenals één staalproductielocatie, waardoor het een van de grootste metaalrecyclers in de regio is.

Bron: Radius Recycling

Het bedrijf verwerkt zowel:

• Ijzerhoudende metalen, met ijzer, zoals kabels, vaten, metalen dakbedekking, fietsen, auto’s, apparaten, enz.
• Niet‑ijzerhoudende metalen: aluminium, koper, roestvrij staal, zink, lood‑zuur batterijen, draad, spoelen, elektrische motoren, radiatoren, enz.

In het niet‑ijzerhoudende segment zijn de grootste metalen koper en aluminium.

Bron: Radius Recycling

Het bedrijf balanceert zijn kapitaalallocatie tussen aandeelhouders (met een dividend dat elk kwartaal wordt uitgekeerd sinds de beursgang in 1993, – met een rendement van 4,5 % op het moment van schrijven van dit artikel), het beheersen van schuldkosten, en herinvestering in groei (inclusief 2 nieuwe herstelcentra aan de westkust van de VS).

Al met al is het bedrijf een goede keuze voor beleggers die blootstelling zoeken aan de recyclingindustrie en de bredere circulaire economie, een stabiel dividendinkomen, en activiteiten gericht op de Noord‑Amerikaanse markt.

Studieverwijzing:

^{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}