Рециклиране на алуминий

Излезлият от употреба алуминиев отпадък е един от най-ценните в контейнерите за смет. Рециклирането на един алуминиев кен спестява енергия, достатъчна да изслушате цял албум на таблет или да гледате телевизия 3 часа. В сравнение с други материали с големи обемни потоци, продукцията на алуминий е с една от най-големите енергийни разлики между първично и вторично производство: 186MJ/kg за първично в сравнение с 10-20MJ/kg за вторично производство. Вредните емисии при вторичното производство също са едва 5% от тези в първичното производство на алуминиеви продукти. Значителното спестяване на енергия и средства при вторичното производство, както и екологичните ползи, карат много производители да го предпочетат.

Рециклирането на металите е металургичен процес и се основава на законите на термодинамиката. За разлика от други метали обаче, отстраняването на нежелани примеси от алуминий е голямо предизвикателство, поради термодинамичната бариера. През целия производствен процес производителите трябва да прилагат стратегии с напреднали технологии за намаляване натрупването на различни нежелани елементи.

Разреждането с първичен алуминий до получаване на задоволителна чистота е най-често решение, използвано в индустрията днес. То оказва отрицателно въздействие относно рециклирането, тъй като изисквана използване на първичен алуминий, в количества зависещи от състава на стопения вторичен алуминий и от целите на рециклиране. Друг вариант за справяне със замърсен вторичен алуминий е да се рециклира в продукти с ниска стойност. Това позволява засилено използване на рециклирани материали, но има отрицателен ефект върху икономиката на рециклиране. Редица технологии на пречистване на отпадния поток позволяват справяне с тези недостатъци.

Предтопилни технологии - физическо разделяне
Технологии за физическо разделяне могат да бъдат приложени към широк диапазон на потоци от скрап, които преди това са преминали през шредиране. По-голямата част от автомобилния скрап, например, минава през някакъв процес раздробяване преди да бъде продаден като вторична суровина за повторно топене. Използват се различни мелници и шредери, които надробяват и смачкват отпадъците. Получават се парчета с размери около 8-10cm. Преди използване на която и да е технология за физическо отделяне, се извършват процеси на отстраняване на повърхностни покрития от бои, хартия и пластмасови етикети.

Магнитни сепаратори
Сепарацията с магнити е начин да се разделят цветни и нецветни метални компоненти от потока скрап. Обикновено, конвейерна лента с отпадни материали се захранва близо до друга конвейерна лента, оборудвана с NdFeB (неодимов) магнит. При приближаване на скрап към магнита, феромагнитната част (предимно стомана и желязо) се привлича от него и се изтегля върху втората конвейерна лента, докато цветната част изпада в колекторен контейнер. Тази технология се използва широко във вторичното производство на алуминий. Нейните основни ограничения са, че по-нататъшно разделяне на цветния поток скрап е невъзможно, а освен това може да съдържа още много замърсяващи примеси, които не са привлечени от магнита като пластмаса, стъкло, гума.

Въздушни сепаратори
Технологиите за сортиране на потоци от скрап могат да използват и силата на въздушните потоци. Системите с лентов транспортьор често използват засмукване на леките материали, присъстващи в шредирания отпадък като пластмаса, гума и пяна. Тези леки компоненти често се наричат шредерен остатък и обикновено се депонират. Има и въздушни сепаратори с вертикално разделяне, при които потокът рециклиран материал се подава през колона с въздушно избутване нагоре. Тежките метали се събират на дъното, а други леки материали се изтласкват чрез различни канали нагоре. Повечето съоръжения за претопяване използват някакъв вид въздушна сепарация, за да се създаде предимно метален поток. Основен недостатък в тази технология е загубата на леки метални продукти, като например кутии от напитки и шредирани парчета, които са с по-малък размер.

Сепаратори с вихрови потоци
Първоначално разработена за сортирате на алуминиеви кутийки от домакински отпадъци, технологията на разделяне с вихрови потоци скоро се превръща в стандартна в промишлената практика за разделяне на остатъци от цветни метали. Методът се основава на големия диапазон в проводимостта на много от смесените метали в потока скрап. Разделянето е подобно на концепцията за магнитна сепарация. Използва се ротор с неодимов магнит със северен и южен полюс. Роторът произвежда външно магнитно поле, което отблъсква немагнитните електропроводими метали. Това води до отстраняването им от потока скрап, оставяйки неметалните примеси. Магнитното поле може да се контролира със скоростта на ротора.

Тъй като тази технология разчита на магнитната сила на отблъскване, някои примеси като проводници и фолиа не успяват да се отделят, тъй като те не произвеждат достатъчно вихрови потоци. Предимство на технологията е, че метали с различна проводимост ще произвеждат различни вихрови потоци и следователно ще бъдат отхвърлени на различни разстояния. Чрез поставяне на контейнери на тези разстояния от ротора, е възможно да се разделят от общия поток от отпадъци отделни потоци от неблагородни метали.

Флотационно (мокро) сепариране
Тази техника използва специфичното тегло на утаяване на примесите в шлам на водна основа за отделяне на цветни метали с различна плътност. Наблюдава се потапяща и изплуваща фракция. Например, в случай на шредиран автомобилен скрап, много от компонентите имат различна плътност и технологията е много подходяща. За един типичен процес на мокро разделяне има три стъпки. В първата се отделят компоненти с плътност около 1g/cm3 – нематална фракция (пластмаси, пени, гуми и др). На следващо ниво се отделят фракции с плътност 2.5g/cm3 – магнезиеви компоненти и пластмаси с висока плътност. За да се контролира специфичното утаяване на шлама, в банята се добавят магнетит или феросилициев прах. Третата банята има специфично тегло на утаяване 3.5g/cm3 и разделя алуминий от цинк, мед и олово. Недостатък на технологията са високите разходи за поддържане на постоянна плътност на шлама.

Сепариране чрез спектроскопия
Спектроскопията стана по-широко използвана за идентификация и сортиране на алуминиеви и магнезиеви сплави през последните години. При тази технология различните парчета скрап минават през множество сензори, като се задейства един от трите основни метода за активиране: рентгенови лъчи (Х-лъчи), неутронен поток и импулсен лазер. Съответният източник удря метала, който произвежда емисия: рентгенова флуоресценция от X-лъчи, флуоресценция от гама-лъчи от неутронния поток и оптични емисии от импулсен лазер. Тези спектри се разчитат от различни видове датчици и след това компютър изпраща сигнал, който насочва парчетата скрап към подходящото място за събиране на разделените потоци.

Една от тези технологии, лазерно индуцирана спектроскопия (laser induced breakdown spectroscopy, LIBS), която използва лазерен импулс и оптична спектроскопия, показва обещаващи резултати за сортиране на алуминий и сплави. При този метод, сензор засича парче материал, който активира лазерен импулс. Лазерът удря повърхността на метала и произвежда атомна емисия. Оптичните спектри се четат от спектрофотометър и фотодиоден детектор, който изпраща сигнал към компютърна система. Системата може след това да насочи част от парчетата към подходящ контейнер с помощта на механична ръка.

Въпреки това, има и някои недостатъци при комерсиалното използване на тази технология. Импулсните лазери могат да проникват на малки разстояния по повърхността на метала и следователно парчетата трябва да са чисти от смазочни материали, бои и други покрития. Дори когато са чисти обаче, на повърхността им се образува оксид, който може да доведе до грешни показания. Независимо от недостатъците, тази технология все повече набира сила, особено при рециклиране на алуминий за автомобилни и авиационни приложения.

Топилни технологии
След като потока скрап влезе в пещта, не могат да се прилагат технологии на физическо разделяне. Има различни металургични технологии за премахване на примеси от стопилката. Премахването на нежелани елементи от стопила за получаване на по-чист алуминий поставя термодинамична бариера за повечето елементи. Ако сравним свободната енергия на Гибс (G) като функция от температурата, при окисление на различни примеси ще видим, че повечето елементи (Si, Cu, Mn, Fe, Cr) имат по-висока свободна енергия на окисление от алуминия. Само Mg и Ca при окисление имат по-ниска енергия на Гибс и могат ефективно да се отстранят от стопилката при просто окисление. За останалите примеси трябва да се приложат други техники.

Селективното топене често се използва за отделяне на замърсяващи метали, които не са били отстранени от физическите техники за разделяне; особено когато металните части са заварени. Използват се ротационни пещи и температурата се променя на различни интервали, за да се отстранят замърсяващите елементи, като се използва по-ниската им температура на топене в сравнение с алуминия. Оловото например има температура на топене 327°C, цинкът 419°C, а алуминият 660°C. Нежеланите фракции лесно се отделят преди да се пристъпи към топене на алуминий.

Флюс технологии
Разделяне на примеси от стопилка може да стане с използване на флюс – различни неметални соли. Те могат да действат по разнообразен начин: например да са с висок редукционен потенциал за намаляване на окислението, да подпомагат миграцията на определени вещества в шлаката или изплуването им в горната част на стопилката или да увеличават течливостта на стопилката, като подпомагат отделянето на фракциите.

Флюсове се използват успешно за отделяне на калций, магнезий, натрий, литий и други от алуминий, като служат като катализатори в равновесните им реакции на окисляване. Те ще формират по-стабилни хлориди и флуориди от алуминия, които след това могат да се отстранят от стопилката чрез утаяване в различни формации в зависимост от плътността им. Най-често употребяваните твърди флюсове включват KCl, NaCl, NaF, AlF3 и MgCl3, флуоридни соли като Na3AlF6 (криолит), CaF2 и Na2SiF6. Много флуоридни флуюсове са способни да разтварят тънкия оксиден филми над металите, което подобряват добива на алуминий. Въпреки че е широко разпространена, технологията има някои недостатъци. Едно ограничение е, че за постигане на ефективни реакции може да се изисква голямо количество флюс. Например, за 100% ефективна реакция, за премахване на 1кг магнезий ще трябват 2,95кг хлор. В стопилка от един метричен тон алуминиев скрап ще са нужни 120кг хлорен газ, за да се премахне магнезият. Друг недостатък на процесите е, че образуващите се хлориди и флуориди произвеждат токсични и опасни газове, които след това трябва да се премахнат от емитираните в околната среда газове.

Електролиза на Хупс
При много приложения на алуминий се изисква изключителна чистота, която може да се постигне при високотемпературна електролиза на стопилка от алуминиев скрап в процес на Хупс. Това е допълнително пречистване, което води до чистота на алуминия от 99,99%. Електролизата се извършва в стоманен резервоар, облицован отвътре с графит, който служи като катод. Анодът също е направен от въглеродни пръти, висящи в стопената маса. Електролитът се състои от алуминиев оксид, разтворен в разтопен криолит (Na3AlF6) и калциев дифлуарит (CaF2). Криолитът понижава точката на топене на алуминия до 95°С, а CaF2 увеличава течливостта на електролита, така че освободеният алуминиев метал може лесно да потъва на дъното на клетката. При преминаване на електрически ток през тази смес в електролитната клетка, алуминият се събира на катода в разтопено състояние и потъва на дъното, откъдето се изпуска. Недостатък на процеса е, че без флюсове изисква температура 700-900°С и е енергоемък (17-18kWh/kg), докато първичното производство на алуминий поглъща приблизително 14kWh/kg. Затова е подходящ само за рециклиране на алуминиев скрап при необходимост от постигане на изключително висока степен на чистота.