Metal Atıkların Upcycling’i ‘ShAPE’ ile Geri Dönüşüm Alışkanlıklarımızı Değiştirebilir

Daha İyi Geri Dönüşüm

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.

Pratikte ise durum bu kadar basit değil, çünkü metal içeren atık akışlarının çoğu farklı metallerin karmaşık bir karışımını barındırıyor. Bazen atık bir alaşımdan kaynaklanıyor, bazen ise geri dönüştürülen üründe farklı metallerin karıştırılması ve bunların ayrıştırılması çok karmaşık ve/veya maliyetli olabiliyor.

Bu bir sorun yaratıyor; sadece bu metal karışımını yeniden kullanmak, taze cevherden üretilen metalden daha kolay bükülüp kırılabilecek düşük kaliteli ürünler ortaya çıkarır ve bu da son kullanıcılar için potansiyel olarak tehlikelidir.

Örneğin, alüminyum hurda geri dönüştürülebilmek için %40 oranında yeni çıkarılmış ve rafine edilmiş alüminyumla karıştırılmalıdır. Bu yardımcı olur, ancak açıkça “gerçek” geri dönüşüm değildir.

Bu yüzden Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) araştırmacıları, ShAPE (Shear Assisted Processing and Extrusion) adlı yeni bir yöntem geliştirdi. Bu yöntemin nasıl çalıştığını ve neden %100 alüminyum geri dönüşüm oranı sağlayabildiğini Nature Communications dergisinde, “Atık üzerinden katı faz alaşım yoluyla yükseltilmiş yüksek mukavemetli alüminyum alaşımları¹” başlığıyla yayımladılar.

Alüminyum Geri Dönüşüm Sorunları

Alüminyum söz konusu olduğunda, maliyetlerin büyük bir kısmı—hem para hem enerji—ve çeşitli CO2 emisyonları, yüksek erime noktasına sahip bir metal olan alüminyumu tamamen eritmek zorunda kalmaktan kaynaklanır.
Bu, geri dönüştürülmüş alüminyumun demir parçacıkları gibi küçük safsızlıklar içermesi nedeniyle yapılmak zorundadır. Tatmin edici bir ürün elde etmek için bu safsızlıkların taze alüminyumla seyreltilmesi gerekir.

ShAPE

Sıradan bir alüminyum ürünü oluşturmak için çok fazla enerji ve ek taze cevher harcamak yerine, PNNL araştırmacıları ara adımları ortadan kaldırarak daha iyi bir alüminyum alaşımı üretmenin bir yolunu buldular.

Bu süreç, sınıflandırma, eritme ve döküm adımlarını doğrudan atlar. Bunun yerine, alüminyum hurdalarını Birleşik Krallık’taki Welding Institute tarafından 1993 yılında geliştirilen “katı faz ekstrüzyonu” adlı bir sürece doğrudan besler.

Katı faz ekstrüzyonu, metali eritmek için ısı yerine sürtünme kullanır; bu, çok daha az enerji harcamasına rağmen çok homojen bir karışım elde edilmesini sağlar. Aşağıdaki kısa videoda bu süreci izleyebilirsiniz:

Makinenin dakikada 500 kez dönen ve 2.200 foot-pound tork üreten bir dönen başlığı vardır. Makinenin diğer ucunda ise dönen başlığa karşı 200.000 pound kuvvet uygulayabilen bir hidrolik pres bulunur.

Kaynak: Nature Communications

Alüminyum hurdalar, bakır (Cu) tozu, çinko (Zn) tozu ve ZK60 magnezyum (Mg) şeritleriyle karıştırılır. Eşit şekilde karıştırıldıklarında, birkaç dakika içinde yüksek mukavemetli bir alüminyum alaşımı ürünü oluştururlar. Buna karşılık, geleneksel alüminyum geri dönüşüm süreci günler sürer.

Bu yöntem aynı zamanda %50 daha az enerji tüketir.

Kaynak: PNNL

Üstün Yapı ve Performanslar

Mikroskop altında incelendiğinde, yeni yöntem kökten farklı bir metalik yapı gösterir. Upcycling ile elde edilen malzeme, geleneksel olarak geri dönüştürülmüş alüminyuma (43,1 µm) kıyasla çok daha küçük taneler (7,7 µm) sergiler.

Kaynak: Nature Communications

Bu, ShAPE sırasında alaşım içinde Guinier-Preston bölgeleri adı verilen atomik ölçekli özelliklerin oluştuğunu kanıtlar. Bu özellikler, metal alaşımlarının mukavemetini artırmasıyla iyi bilinir.

Bu, upcycling ile elde edilen metalin performansını doğrudan artırır; mekanik strese karşı direnci, normal geri dönüştürülmüş alaşıma göre %200 daha yüksektir.

Kaynak: Nature Communications

Bu yöntemin bir diğer iyileştirmesi, alüminyum profil, tüp ve diğer metal parçalarının katı hâlde üretilmesidir; bu da geleneksel erime aşamalarıyla çalışmayan yeni bir alaşım türünün geliştirilmesine yardımcı olabilir.

Katı faz alaşımı teorik olarak hayal edebileceğiniz herhangi bir metal kombinasyonuna uygulanabilir ve üretimin tamamen katı hâlde gerçekleşmesi, daha önce üretemediğimiz tamamen yeni alaşımları düşünmeye başlamamızı sağlar.

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

Geri Dönüştürülmüş Alüminyumun Ötesine Geçmek

Bu teknik, ayırması veya geri dönüştürmesi zor olan diğer metaller için de kullanılabilir.

Ayrıca, daha güçlü ve güvenli otomotiv yapıları gibi üstün performanslı alaşımlar üretmek veya aynı sonuca daha az malzeme kullanmak için de kullanılabilir.

Aynı yöntem muhtemelen diğer katı faz üretim süreçlerine de genişletilebilir; örneğin cold spray veya friction stir welding & processing.

“Hurda malzemeleri upcycle etme yeteneğimiz heyecan verici, ancak bu araştırmada beni en çok heyecanlandıran şey, katı faz alaşımının sadece alüminyum alaşımları ve hurda besleme maddeleriyle sınırlı olmamasıdır.

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

Metal 3D Baskı

Son olarak, bu yöntem metal 3D yazıcılar için yüksek kaliteli bir hammadde oluşturmak amacıyla kullanılabilir.

Yöntem, belirli bir miktarda ekstra metal eklediği için, katmanlı imalatta özel ihtiyaçlara yönelik özelleştirilmiş alaşımlar üretmek amacıyla kullanılabilir.

Geliştirilmiş 3D yapı, son 3D baskı ürününün ekstra güçlü olmasına da yardımcı olacaktır.

“Tel bazlı katmanlı imalat için özelleştirilmiş bileşimli hammadde telleri elde etmek zordur. Katı faz alaşımı, %2 bakır ya da %5 bakır gibi tam bileşimli özelleştirilmiş alaşımlar üretmenin harika bir yoludur.”

Xiao Li – PNNL materials scientist

Alüminyum Geri Dönüşüm Şirketi

Radius Recycling

Gelişmiş geri dönüşüm için yeni yöntemler geliştirildikçe, sektördeki köklü oyuncular birincil üreticilerden pazar payı alarak fayda sağlayabilir.

Daha fazla malzeme geri dönüştükçe ve ısıtma ile ulaşımda elektrifikasyona yöneldikçe, geri dönüşüm şirketlerinin iş hacmi yavaş ama istikrarlı bir şekilde artmaya hazırlanıyor. Metal geri dönüşüm pazarının 2024’te 915 milyar dolardan 2033’te 1,29 trilyon dolara, yani %3,9 yıllık bileşik büyüme oranına (CAGR) ulaşması bekleniyor.

Radius Recycling 1906 yılında kuruldu ve şu anda 3.500’den fazla çalışan istihdam ediyor. Kanada ve ABD genelinde 100’den fazla metal ve otomobil geri dönüşüm tesisi ve bir çelik üretim tesisi bulunmakta; bu da onu bölgenin en büyük metal geri dönüştürücülerinden biri yapıyor.

Kaynak: Radius Recycling