Kim loại tái chế được bao nhiêu lần: vì sao nấu lại không mất chất

Về nguyên tắc, kim loại tái chế được không giới hạn số lần: sắt, nhôm, đồng nấu chảy rồi đông đặc lại vẫn là sắt, nhôm, đồng, mạng tinh thể được dựng lại từ đầu nên không có chuyện "mòn chất" sau mỗi lần nấu. Thứ làm kim loại tái chế xuống cấp là tạp chất lẫn vào và hợp kim bị trộn lộn, chứ không phải bản thân việc nấu lại. Đây là khác biệt lớn nhất giữa kim loại và nhựa: chuỗi phân tử nhựa bị cắt ngắn dần mỗi lần gia nhiệt, còn nguyên tử kim loại thì không có gì để cắt.

Vì sao nấu lại không làm kim loại "mỏi"?

Kim loại rắn là một mạng tinh thể: các nguyên tử xếp thành hàng lối đều đặn, gắn với nhau bằng liên kết kim loại, tức là một "biển" điện tử tự do bao quanh các ion dương. Khi nung tới nhiệt độ nóng chảy, mạng tinh thể tan rã, nguyên tử chuyển động hỗn loạn trong thể lỏng. Khi nguội, chúng lại xếp thành tinh thể mới. Nguyên tử sắt trong một thanh thép xây dựng hôm nay hoàn toàn giống nguyên tử sắt trong quặng, và giống nguyên tử sắt trong chiếc đinh đã gỉ từ trăm năm trước.

Những gì tích luỹ trong kim loại khi dùng, như mỏi do uốn đi uốn lại, vết nứt tế vi, ứng suất dư sau khi gia công nguội, đều nằm ở cấu trúc chứ không ở nguyên tử. Nấu chảy là xoá sạch toàn bộ lịch sử cấu trúc đó. Một thanh nhôm đã mỏi đến mức gãy, sau khi nấu lại và đúc mới, có cơ tính như nhôm cùng thành phần chưa từng dùng.

Đó là lý do các hiệp hội ngành hay dẫn những con số rất lớn: Hiệp hội Nhôm Hoa Kỳ thường nói khoảng ba phần tư lượng nhôm từng được sản xuất vẫn còn đang được dùng; giới ngành đồng cũng có nhận định tương tự cho đồng. Đây là số do ngành tự ước, nên đọc như một hình dung về quy mô hơn là phép đo chính xác.

Vậy kim loại tái chế xuống cấp ở đâu?

Vấn đề thật nằm ở chỗ: phế liệu không bao giờ sạch. Một chiếc ô tô cũ có thép thân xe, dây đồng trong bó dây điện, nhôm trong mâm và nắp máy, kẽm mạ ngoài tôn, thiếc hàn trên bo mạch. Khi nghiền chung rồi tách không triệt để, các kim loại này đi lẫn vào nhau. Trong lò, có những nguyên tố ra được, có những nguyên tố ở lại vĩnh viễn.

Nguyên tố "ở lì" trong thép

Trong lò luyện thép, ôxy được thổi vào để đốt bớt cacbon, silic, mangan, phốt pho; các nguyên tố này bị ôxy hoá rồi đi vào xỉ. Nhưng đồng, thiếc, niken, molypđen khó bị ôxy hoá hơn sắt, nên chúng không vào xỉ mà ở lại trong thép lỏng. Giới luyện kim gọi chúng là nguyên tố tạp dư (tramp elements).

Đồng là kẻ phiền nhất. Khi thép có đồng vượt một ngưỡng nhỏ được nung để cán nóng, đồng tụ lại ở ranh giới hạt dưới lớp vảy ôxít, tạo màng lỏng làm bề mặt nứt vụn khi cán. Hiện tượng này gọi là giòn nóng do đồng. Vì vậy, thép tấm mỏng cho thân ô tô hay vỏ đồ hộp đòi hàm lượng đồng rất thấp, trong khi thép thanh xây dựng dễ tính hơn nhiều.

Sắt "ở lì" trong nhôm

Với nhôm thì ngược lại: sắt là thứ khó bỏ. Một mẩu bu lông thép lẫn trong lô phế liệu nhôm sẽ tan dần vào nhôm lỏng, và gần như không có cách kinh tế nào rút sắt ra. Sắt tạo các pha hình kim giòn trong nhôm, làm giảm độ dẻo. Silic, magie, kẽm, đồng từ các hợp kim khác nhau trộn vào cũng không tách ra được.

"Tái chế xuống cấp" nghĩa là gì?

Vì không lấy được tạp chất ra, phế liệu lẫn lộn thường chỉ dùng được cho sản phẩm "dễ tính" hơn sản phẩm ban đầu. Người ta gọi đó là tái chế xuống cấp (downcycling). Nó không có nghĩa là kim loại bị hỏng, mà là thành phần hợp kim không còn đủ "sạch" cho ứng dụng khó nhất.

Đồng là trường hợp đặc biệt dễ chịu: nhờ điện phân, đồng tái chế có thể được đưa trở lại độ tinh khiết như đồng từ quặng, nên vòng đời của nó gần như khép kín hoàn toàn. Vàng và bạc cũng vậy, đó là lý do kim loại quý được thu hồi kỹ đến từng gam.

Mỗi lần nấu lại có mất kim loại không?

Có, nhưng không phải vì kim loại "hao" bản chất mà vì một phần bị ôxy hoá. Khi nấu, lớp bề mặt tiếp xúc không khí chuyển thành ôxít và nổi lên thành xỉ. Phần mất này phụ thuộc mạnh vào hình dạng phế liệu:

• Khối dày, đặc như đầu thừa đúc, phôi cắt: diện tích bề mặt nhỏ so với khối lượng, mất ít.
• Vật mỏng, vụn như phoi tiện, lon bẹp, giấy nhôm: diện tích bề mặt lớn, lại thường dính sơn, dầu, nên mất nhiều hơn rõ rệt.
• Kim loại dễ ôxy hoá như nhôm, magie mất nhiều hơn sắt hay đồng trong cùng điều kiện; magie còn có nguy cơ bốc cháy.

Ngành luyện kim xử lý bằng cách nấu dưới lớp trợ dung (muối nóng chảy với nhôm), nấu trong khí bảo vệ, ép phế liệu vụn thành khối trước khi cho vào lò, và thu hồi phần kim loại còn lẫn trong xỉ. Nhờ vậy, tỷ lệ thu hồi kim loại từ phế liệu tốt thường rất cao.

So với nhựa, giấy, thuỷ tinh thì kim loại tái chế khác gì?

Đặt các vật liệu tái chế phổ biến cạnh nhau sẽ thấy kim loại có lợi thế bẩm sinh:

Kim loại còn có lợi thế kinh tế: phế liệu kim loại có giá trị nên người ta tự nguyện thu gom, không cần trợ cấp. Ở Việt Nam, mạng lưới ve chai, vựa phế liệu, rồi tới lò luyện là một chuỗi tự vận hành từ lâu.

Tái chế kim loại có thay được khai mỏ không?

Chưa, và sẽ chưa trong thời gian dài. Lý do đơn giản: phần lớn kim loại đang nằm trong nhà cửa, cầu đường, máy móc còn dùng hàng chục năm nữa. Phế liệu hôm nay phản ánh lượng kim loại đưa vào dùng từ vài chục năm trước, trong khi nhu cầu thế giới vẫn tăng. Một tòa nhà khung thép đứng 50–100 năm; dây đồng trong tường có thể nằm đó suốt đời ngôi nhà.

Với thép, theo số liệu Hiệp hội Thép Thế giới, phế liệu chiếm một phần đáng kể nguyên liệu của ngành nhưng lò cao dùng quặng sắt vẫn sản xuất phần lớn thép toàn cầu. Ở các nước công nghiệp lâu đời, nơi kho thép trong xã hội đã "bão hoà", tỷ lệ thép từ phế liệu cao hơn nhiều so với các nước đang xây dựng nhanh.

Khi nhu cầu một kim loại ổn định, tái chế dần gánh được phần lớn. Khi nhu cầu bùng nổ như liti, coban cho pin, phế liệu chưa kịp sinh ra, nên khai mỏ vẫn là nguồn chính trong nhiều năm.

Góc nhìn hôm nay: điều gì giúp kim loại tái chế "sạch" hơn?

Nếu tạp chất là kẻ thù, thì giải pháp nằm ở trước lò, không ở trong lò. Những việc đang được làm:

• Thiết kế để tháo rời: dùng ít loại hợp kim hơn trong một sản phẩm, đánh dấu vật liệu, tránh ghép đồng vào thép bằng cách khó tháo.
• Phân loại bằng máy: nam châm, tách dòng điện xoáy, máy phân tích huỳnh quang tia X, máy phân loại dùng tia laser để nhận hợp kim nhôm.
• Vòng kín: phế liệu từ nhà máy (đầu mẩu, phoi) đi thẳng về nhà máy luyện cùng loại hợp kim.
• Phân loại tại nguồn: đồ kim loại sạch, không dính nhựa, không chứa pin, bình áp lực sẽ thành phế liệu tốt hơn nhiều.

Muốn tìm hiểu thêm, có thể đọc báo cáo thường niên của Hiệp hội Thép Thế giới, tài liệu về tái chế nhôm của Viện Nhôm Quốc tế, và các bài tổng quan về "kinh tế tuần hoàn kim loại" trên tạp chí khoa học vật liệu. Trong sách giáo khoa Hoá học phổ thông, phần kim loại và hợp kim cũng cho nền tảng để hiểu vì sao đồng ở lại trong thép còn cacbon thì cháy đi.