Giới thiệu
Tại Nhật Bản, khoảng 4 triệu tấn nhôm được tiêu thụ hàng năm, trong đó khoảng 40% được sử dụng dưới dạng thỏi hợp kim thứ cấp tái chế. Các sản phẩm nhôm có nhiệt độ nóng chảy thấp khoảng 660°C, giúp có thể quay vòng chu trình thu gom, nấu chảy và đúc lại trong thời gian ngắn và với chi phí thấp ngay cả sau khi đã được chế tạo thành sản phẩm. Quy trình tuần hoàn tài nguyên này, ngoài việc sử dụng hiệu quả các nguồn tài nguyên khoáng sản hạn chế, còn góp phần lớn vào việc kìm hãm chất thải từ nhôm đã qua sử dụng, khiến nó trở thành một sáng kiến không thể thiếu để hiện thực hóa một xã hội bền vững.
Mặt khác, luyện kim sơ cấp (luyện kim mới) tiêu thụ một lượng điện năng khổng lồ trong quá trình chiết xuất alumin từ bô-xít và thu được nhôm nguyên chất thông qua quá trình hòa tan điện phân. Ngược lại, quy trình tái chế gần như loại bỏ hoàn toàn nhu cầu về quy trình điện phân này, chỉ cần khoảng 3% năng lượng cần thiết cho luyện kim mới. Trên thực tế, các thỏi tái chế có thể được sản xuất với khoảng 3% điện năng so với các thỏi mới, mang lại lợi ích kép là giảm đáng kể lượng khí thải CO₂ và giảm chi phí điện.
Trong bối cảnh này, nhôm thường được gọi là “học sinh xuất sắc của tái chế” và là một trong những vật liệu đáng chú ý nhất để đạt được cả việc giảm tải môi trường và hiệu quả tài nguyên. Trong tương lai, những cải tiến hơn nữa về tỷ lệ thu hồi và sự tinh vi của kiểm soát chất lượng được kỳ vọng sẽ dẫn đến việc tiết kiệm năng lượng và giảm CO₂ nhiều hơn nữa.
Quy trình cơ bản của Tái chế nhôm
1. Thu gom và Phân loại
Tái chế nhôm bắt đầu bằng việc thu gom nhôm đã qua sử dụng làm nguyên liệu thô. Các nguồn chính là lon nhôm, xỉ (phoi và vụn từ quá trình đúc), và các loại phế liệu công nghiệp khác nhau. Tại Nhật Bản, tỷ lệ thu hồi lon nhôm vẫn ở mức cao khoảng 93,6%, với tỷ lệ những lon được biến trở lại thành lon (CAN to CAN) đạt 71,4%. Việc thu gom diễn ra thông qua nhiều tuyến đường khác nhau, bao gồm thu hồi tài nguyên của thành phố, mua lại của các đại lý và các trạm thu gom do nhà sản xuất vận hành, nơi các mặt hàng được phân loại theo chất lượng và hình thức.
2. Xử lý sơ bộ
Phế liệu nhôm thu gom được đưa vào một máy hủy lớn để nghiền và tán nhỏ. Tại đây, các vật liệu lạ (sắt, nhựa, giấy, v.v.) được loại bỏ, và dầu mỡ và bụi bẩn được rửa sạch trong một quy trình làm sạch. Bằng cách sử dụng kết hợp các máy tách từ và máy tách dòng xoáy, các vật liệu lạ có từ tính và không có từ tính có thể được loại bỏ với độ chính xác cao, làm giảm tải tạp chất trong các quy trình tiếp theo. Các cơ sở xử lý sơ bộ có công suất dây chuyền từ vài tấn đến hàng chục tấn mỗi giờ, với các loại vận hành liên tục là chủ đạo.
3. Nung chảy và Khuấy trộn
Phế liệu đã được xử lý sơ bộ được vận chuyển đến một lò nung chảy quay (lò trống) hoặc một lò nung chảy có đầu đốt và được nung chảy ở nhiệt độ 660–700°C. Lò kiểu trống cho phép nung chảy đồng đều bằng cách nung nóng phế liệu trong khi quay nó. Kết hợp với xử lý khử khí bằng phương pháp dung dịch khí, nó loại bỏ hydro và các chất gây ô nhiễm chứa bên trong. Xỉ (oxit) trong kim loại nóng chảy được loại bỏ liên tục thông qua một hoạt động vớt để duy trì độ tinh khiết của nhôm.
4. Đúc và Hợp kim hóa thứ cấp
Nhôm nóng chảy, sau khi nung chảy và khử khí, được đổ vào khuôn để đúc thỏi. Sau khi đúc, nó trải qua quá trình làm mát và xử lý bằng chất trợ dung để thu được các phôi hoặc thỏi có kích thước quy định. Hơn nữa, magiê, silic, v.v., được thêm vào trong một lò điện để sản xuất các hợp kim thứ cấp hiệu suất cao (DX10, DX17, DX19, v.v.) với độ bền và độ dẫn nhiệt được tăng cường. Các hợp kim thứ cấp này được sử dụng rộng rãi, đặc biệt là trong các lĩnh vực đòi hỏi chức năng cao, chẳng hạn như phụ tùng ô tô, thiết bị điện tử và vật liệu xây dựng.
Lợi ích của Tái chế
Lợi ích về Môi trường
Tái chế chỉ cần khoảng 3% điện năng cần thiết cho luyện kim sơ cấp, cho phép giảm đáng kể mức tiêu thụ năng lượng. Theo đó, lượng khí thải CO₂ cũng giảm một lượng tương tự, và trong Đánh giá Vòng đời (LCA), các thỏi tái chế được đánh giá là có lợi thế trong việc giảm tải môi trường.
Lợi ích về Kinh tế
Việc giảm sử dụng điện trực tiếp dẫn đến chi phí điện thấp hơn, giảm chi phí vận hành dài hạn khoảng 70–80%. Thời gian thu hồi vốn đầu tư cho các cơ sở tái chế thường được cho là khoảng 3–5 năm, và ngay cả việc trang bị thêm cho các nhà máy hiện có cũng có thể được kỳ vọng sẽ tạo ra dòng tiền trong một khoảng thời gian tương đối ngắn, cho phép tăng hiệu quả tài sản trong khi kìm hãm rủi ro quản lý. Hơn nữa, thị trường phế liệu gần đây đã giao dịch ở mức khoảng 250–330 yên mỗi kg, và xu hướng ổn định đến tăng của giá phế liệu cũng là một yếu tố làm giảm rủi ro biến động chi phí nguyên liệu thô (aipo.xsrv.jp).
Lợi ích về Kỹ thuật và Chất lượng
Các hợp kim thứ cấp hiệu suất cao (dòng DX) dựa trên các thỏi tái chế có thể đạt được độ bền kéo gấp khoảng 1,5 lần và sự cải thiện tương tự về độ dẫn nhiệt so với ADC12 thông thường. Vì lý do này, ứng dụng của chúng đang tích cực tiến triển trong các mục đích sử dụng có yêu cầu kỹ thuật cao, chẳng hạn như các bộ phận động cơ ô tô và các thành phần tản nhiệt. Đối với các thành phần EV/HEV, bằng cách đạt được cả việc giảm trọng lượng và độ bền cao, chúng góp phần kéo dài phạm vi hành trình và cải thiện mức tiêu thụ điện, do đó nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm.
Thách thức và các biện pháp đối phó của Tái chế
Sự thay đổi về chất lượng của phế liệu thô
Phế liệu đã qua sử dụng có sự thay đổi đáng kể về thành phần hóa học vì các loại hợp kim, lịch sử xử lý và môi trường sử dụng của các sản phẩm ban đầu rất đa dạng. Đặc biệt, xỉ đúc và phoi có thể có dầu hoặc màng sơn bám vào, hoặc các kim loại khác lẫn vào, làm tăng nguy cơ phát sinh khí hydro và các khuyết tật do vật liệu lạ sau khi nấu chảy.
Ví dụ về các biện pháp đối phó
- Kiểm tra chất lượng trên cơ sở từng lô bằng cách sử dụng phân tích thành phần (OES, v.v.)
- Ép nóng (nén lại) theo loại hợp kim để đồng nhất hóa thành phần
Quản lý tạp chất và khí
Các màng sơn và dầu trong phế liệu phân hủy khi bị nung nóng, tạo ra khí hydro và amoniac, có thể gây ra các khuyết tật đúc (lỗ kim, lỗ rỗ). Ngoài ra, việc đốt cháy các tạp chất hữu cơ có thể gây ô nhiễm kim loại nóng chảy và làm tăng xỉ (orist.jp).
Ví dụ về các biện pháp đối phó
- Loại bỏ hydro bằng lò khử khí chân không hoặc khử khí bằng cách sục argon
- Phát triển công nghệ xử lý sơ bộ để giải độc bằng thủy phân và nung (để giảm phát sinh khí)
Hạn chế của công nghệ phân loại và các xu hướng mới nhất
Mặc dù các phương pháp phân loại từ tính và dòng xoáy thông thường có thể loại bỏ các tạp chất lớn như sắt và đồng, chúng có những hạn chế trong việc phân biệt giữa các hợp kim nhôm khác nhau, các vật liệu có thành mỏng và các vật liệu composite. Trong những năm gần đây, công nghệ kết hợp phân tích hình ảnh AI và cảm biến cận hồng ngoại (NIR) để xác định các loại vật liệu nhôm và sự hiện diện của các phương pháp xử lý bề mặt ở tốc độ cao và với độ chính xác cao đang bước vào giai đoạn ứng dụng thực tế.
- Ưu điểm: Giảm tỷ lệ phân loại sai, giảm chi phí lao động thủ công
- Chi phí giới thiệu: Chi phí thêm camera/cảm biến vào các dây chuyền hiện có, chi phí chuẩn bị dữ liệu đào tạo AI
Tuân thủ về An toàn và Pháp lý/Quy định
Để vận hành các cơ sở tái chế, cần có giấy phép “kinh doanh xử lý trung gian” dựa trên Đạo luật Quản lý chất thải, và việc tuân thủ các quy định về môi trường đối với khí thải, tiếng ồn và nước thải cũng được yêu cầu (Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp). Luật Tái chế Bao bì và Đóng gói quy định nghĩa vụ thu gom lon nhôm, v.v., và việc thiết lập một hệ thống quản lý chất lượng tuân thủ các tiêu chuẩn JIS (chẳng hạn như JIS H 4000) và ISO 9001/ISO 15270 (mặc dù dành cho nhựa, khái niệm này được áp dụng) được khuyến nghị (Bộ Môi trường, Nhật Bản).
Ví dụ về các biện pháp đối phó
- Giám sát thường xuyên các chất độc hại và thiết lập các giá trị quy định khí thải tự nguyện
- Vận hành một hệ thống quản lý chất lượng và môi trường (QMS/EMS) dựa trên các tiêu chuẩn ISO
Như đã mô tả ở trên, bằng cách tăng cường toàn diện từng điểm—đặc tính nguyên liệu thô, quản lý tạp chất, công nghệ phân loại mới nhất và tuân thủ pháp lý/quy định—có thể đạt được hoạt động ổn định và chất lượng cao của việc tái chế nhôm.
Các nghiên cứu điển hình
Nghiên cứu điển hình trong lĩnh vực phụ tùng ô tô
Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ô tô đã đẩy mạnh các nỗ lực tái sử dụng các bộ phận nhôm được thu hồi từ các phương tiện hết tuổi thọ (ELV) trong một “vòng lặp khép kín”. Ví dụ, UACJ (trước đây là Nippon Light Metal) đã tiến hành một thí nghiệm trình diễn bằng cách thu thập các bộ phận đúc nhôm từ năm mẫu xe của một OEM trong nước và thực hiện phân tích nấu chảy và thành phần cho từng phương pháp sản xuất và loại hợp kim. Sử dụng thiết bị phân loại XRT (Phân loại truyền tia X) và LIBS (Quang phổ phân hủy cảm ứng bằng laser), họ đã phân loại ADC12 và các hợp kim magiê với độ chính xác cao. Kết quả so sánh lượng khí thải CO₂ của tái chế hợp kim thứ cấp và tái chế trực tiếp, đã được xác nhận rằng việc sử dụng vật liệu tái chế đã đạt được hiệu quả giảm CO₂ hơn 90% (j-far.or.jp, Nissan).
Hơn nữa, Nissan Motor Co., trong việc phân loại các tấm thân xe có sơn và chất kết dính bám vào, đã cùng nhau phát triển một tối ưu hóa quy trình hủy và LIBS, thiết lập một quy trình phân loại tiên tiến kìm hãm ảnh hưởng của bề mặt sơn. Với điều này, họ đang tiến hành sản xuất thử nghiệm với mục tiêu tái chế vòng lặp khép kín từ vật liệu tái chế thành các tấm thân xe mới (Nissan).
Hiệu quả và Thách thức
- Hiệu quả: Giảm đáng kể lượng khí thải CO₂ (giảm 80–90% so với vật liệu sơ cấp), giảm chi phí nguyên liệu thô, cải thiện khả năng tái sử dụng cho các bộ phận kết cấu của OEM.
- Thách thức: Loại bỏ các chất gây ô nhiễm hữu cơ (màng sơn, dầu) trong phế liệu, truy tìm nghiêm ngặt cho từng loại hợp kim, rút ngắn thời gian thu hồi chi phí đầu tư thiết bị.
Các nghiên cứu điển hình trong lĩnh vực xây dựng và thiết bị gia dụng
Lĩnh vực xây dựng
Theo một cuộc khảo sát của Hiệp hội Nhôm Châu Âu, tỷ lệ thu hồi cuối vòng đời đối với các sản phẩm nhôm trong xây dựng ở Châu Âu đã đạt 98,3%, và việc thu hồi và tái chế các mặt hàng như tường ngăn, khung cửa và khung cửa sổ gần như được thực hiện hoàn toàn (european-aluminium.eu, european-aluminium.eu). Chúng được tái sử dụng làm các cấu hình kiến trúc hoặc các tấm composite sau khi nấu chảy, đạt được sự tuần hoàn vật liệu.
Hơn nữa, tại London, Veolia UK và Red Squirrel Architects đang cùng nhau thúc đẩy một dự án thu gom khoảng 2 tấn lon nước giải khát bằng nhôm và tái chế chúng thành các tấm tường ngoại thất xanh có cấu trúc tổ ong. Ngoài chức năng là vật liệu tường ngoại thất, chúng còn góp phần kìm hãm hiệu ứng đảo nhiệt đô thị và cải thiện tính thẩm mỹ (IDEAS FOR GOOD).
Lĩnh vực thiết bị gia dụng
Trong ngành công nghiệp thiết bị gia dụng cũng vậy, các công ty lớn đang tăng cường việc giới thiệu tái chế. Theo một báo cáo của APPLiA (Hiệp hội các nhà sản xuất thiết bị gia dụng châu Âu), các thử nghiệm đang được tiến hành trên các dây chuyền sản xuất thiết bị gia dụng để pha trộn tới 25% nhôm tái chế vào các thành phần như bộ trao đổi nhiệt và vỏ máy nén cho tủ lạnh và máy rửa bát, và đã được chỉ ra rằng điều này có khả năng giảm lượng khí thải CO₂ trong toàn bộ vòng đời sản phẩm từ 30–40% (MDPI, applia-europe.eu). Ngoài ra, việc đảm bảo khả năng truy xuất nguồn gốc của vật liệu tái chế thông qua tích hợp IoT đã trở thành chìa khóa để kiểm soát chất lượng và hiệu quả chuỗi cung ứng.
Hiệu quả và Thách thức
- Hiệu quả: Ổn định chi phí mua sắm nguyên liệu thô, tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường với các nhãn sinh thái sản phẩm, cải thiện tỷ lệ giảm chất thải.
- Thách thức: Duy trì các tiêu chuẩn an toàn sản phẩm (cách điện, chống ăn mòn), ứng phó với nguy cơ ô nhiễm bởi các kim loại khác nhau, chi phí đồng nhất hóa vật liệu tái chế.
Từ những nghiên cứu điển hình này, rõ ràng là trong mỗi lĩnh vực ô tô, xây dựng và thiết bị gia dụng, tái chế nhôm đang đạt được những kết quả đáng kể về cả chi phí vật liệu và tải trọng môi trường. Mặt khác, vẫn còn những thách thức về kỹ thuật và quản lý cần vượt qua để thương mại hóa và sản xuất hàng loạt, chẳng hạn như kiểm soát chất lượng, độ chính xác phân loại và tuân thủ pháp lý/quy định. Trong tương lai, việc cải thiện độ chính xác phân loại thông qua việc sử dụng các công nghệ kỹ thuật số như AI và IoT, và tối ưu hóa toàn bộ chuỗi cung ứng thông qua việc phát triển các quy định pháp lý và hợp tác doanh nghiệp sẽ nắm giữ chìa khóa cho việc mở rộng hơn nữa.
Hộp dữ liệu (Danh sách các chỉ số)
| Tiêu đề | Dữ liệu | Nguồn |
| Tỷ lệ thu hồi lon nhôm | 93,6% (CAN to CAN 71,4%) | Shisaku.com: Tỷ lệ tái chế lon nhôm 93,6%, CAN to CAN 71,4% |
| Tỷ lệ giảm điện năng tái chế | 97% | Hội đồng xúc tiến 3R: Tải trọng CO₂ của nhôm tái chế là 1/35 so với luyện kim (3r-suishinkyogikai.jp) |
| Tỷ lệ thỏi thứ cấp trong nước | Khoảng 40% | Nippon Light Metal HD “Alumirai” |
| Lượng giảm phát thải CO₂ | Khoảng 10.800 kg-CO₂/tấn | METI: 10,2 triệu tấn sản xuất nhôm tái chế giảm 90,8 triệu tấn CO₂ (Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp) |
| Khối lượng vận chuyển hợp kim thứ cấp chức năng cao | 95.000 tấn (Nửa đầu năm tài chính 2020) | Nikkei MC Aluminium: 95.000 tấn doanh số sản phẩm trong nửa đầu năm tài chính 2020 (“Nikkan Sangyo Shimbun,” một tờ báo chuyên ngành cho ngành công nghiệp thép và kim loại màu) |
Các số liệu được hiển thị trong mỗi chỉ số được tổng hợp dựa trên các tài liệu công khai mới nhất. Vui lòng xác minh.
Kết luận
Triển vọng tương lai cho Tái chế nhôm
Trong tương lai, trong bối cảnh nhu cầu khử cacbon toàn cầu ngày càng tăng và sự biến động của giá tài nguyên, thị trường tái chế nhôm có thể sẽ mở rộng hơn nữa. Đặc biệt, nhu cầu về các hợp kim thứ cấp kết hợp độ bền cao và độ dẫn nhiệt cao được dự kiến sẽ tăng vọt cho các ứng dụng linh kiện trong xe đi kèm với sự phổ biến của EV/HEV. Hơn nữa, bằng cách vận hành tái chế vòng lặp khép kín hiệu quả hơn thông qua giám sát chất lượng thời gian thực và tăng cường khả năng truy xuất nguồn gốc bằng IoT và AI, có khả năng cả tỷ lệ thu hồi và tái sử dụng sẽ vượt đáng kể so với mức hiện tại.
Các khuyến nghị để giải quyết các thách thức
- Nâng cao hệ thống đảm bảo chất lượng
- Tăng cường đầu tư vào các cơ sở phân tích thành phần và xử lý khử khí để giảm thiểu sự thay đổi thành phần bắt nguồn từ phế liệu.
- Đầu tư hợp tác vào công nghệ phân loại
- Thúc đẩy việc giới thiệu các cảm biến AI + NIR chung trong ngành để chia sẻ và giảm chi phí phân loại.
- Công bố thông tin dựa trên LCA
- Công bố định lượng các tác động giảm CO₂ và tỷ lệ giảm năng lượng để hình dung giá trị môi trường trên toàn bộ chuỗi cung ứng.
Các hành động cho Doanh nghiệp và Chính phủ
- Đối với Doanh nghiệp: Hợp tác với các nhà cung cấp để thiết lập các tuyến đường thu gom phế liệu và ký kết các hợp đồng dài hạn để mở rộng việc sử dụng các hợp kim thứ cấp. Ngoài ra, hãy thúc đẩy việc tiêu chuẩn hóa các sổ tay đảm bảo chất lượng và các hướng dẫn thiết kế tái chế.
- Đối với Chính phủ: Tiếp tục và mở rộng các khoản trợ cấp và ưu đãi thuế cho việc phát triển cơ sở hạ tầng thu gom để bổ sung những điểm yếu trong các mạng lưới thu gom địa phương. Ngoài ra, hãy hỗ trợ các nỗ lực của doanh nghiệp một cách có hệ thống bằng cách bắt buộc nộp các báo cáo LCA và đặt ra các mục tiêu cho tỷ lệ sử dụng vật liệu tái chế.
Thông qua các biện pháp này, tái chế nhôm có thể đạt được việc tiết kiệm năng lượng và khử cacbon hơn nữa, và thiết lập vị trí của mình là cốt lõi của một xã hội tuần hoàn vật liệu bền vững.
