Nấu lại nhôm phế liệu chỉ tốn một phần rất nhỏ năng lượng so với làm nhôm từ quặng, con số thường được dẫn là tiết kiệm khoảng 95%. Lý do: phần tốn kém nhất của nhôm nguyên sinh là điện phân để bẻ liên kết giữa nhôm và ôxy trong alumin, còn nhôm phế liệu đã là kim loại sẵn, chỉ cần nung tới khoảng 660 °C cho chảy rồi tinh luyện. Thách thức của nhôm tái chế không nằm ở năng lượng mà ở xỉ nhôm và sự lẫn lộn hợp kim.
Vì sao làm nhôm từ quặng tốn điện đến thế?
Trong tự nhiên, nhôm không bao giờ ở dạng kim loại mà luôn gắn chặt với ôxy. Chuỗi sản xuất nhôm nguyên sinh gồm hai bước lớn: tinh chế quặng bô-xít thành alumin (nhôm ôxít) theo quy trình Bayer, rồi điện phân alumin hoà tan trong criolit nóng chảy khoảng 950–960 °C theo quy trình Hall–Héroult.
Bước điện phân đòi dòng điện rất lớn chạy liên tục để tách từng nguyên tử nhôm khỏi ôxy. Các nhà máy hiện đại thường tiêu thụ khoảng 13–15 MWh điện cho mỗi tấn nhôm, chưa kể năng lượng cho khâu khai thác, nghiền, hoà tách bô-xít và làm anốt cacbon. Đó là lý do các nhà máy điện phân nhôm thường đặt cạnh nguồn thuỷ điện hoặc nguồn điện giá rẻ.
Khi tái chế, toàn bộ năng lượng hoá học này đã nằm sẵn trong miếng nhôm. Người ta chỉ cần cấp nhiệt để nung nóng, làm chảy và giữ nhôm lỏng đủ lâu để tinh luyện. Nhiệt nóng chảy riêng của nhôm khoảng 397 kJ/kg, cộng với phần nhiệt nung từ nhiệt độ phòng lên khoảng 700–750 °C để rót, vẫn nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng điện phân. Con số "khoảng 95%" mà Viện Nhôm Quốc tế và nhiều nguồn khác dẫn là kết quả so sánh toàn chuỗi; ở từng nhà máy, mức tiết kiệm cụ thể còn tuỳ loại lò và chất lượng phế liệu.
Nhôm phế liệu được nấu trong những loại lò nào?
Ngành nhôm thứ cấp dùng nhiều kiểu lò, mỗi kiểu hợp một loại phế liệu:
| Loại lò | Cách hoạt động | Hợp với phế liệu |
|---|---|---|
| Lò phản xạ (lò bể) | Ngọn lửa đốt khí hoặc dầu phía trên, nhiệt phản xạ từ vòm xuống bể nhôm | Phế liệu khối dày, sạch; nấu lượng lớn |
| Lò quay | Thùng lò quay chậm, nhôm nấu dưới lớp muối trợ dung | Phế liệu bẩn, vụn, xỉ nhôm cần thu hồi |
| Lò cảm ứng | Dòng điện cảm ứng nung trực tiếp khối nhôm, có khuấy từ | Phế liệu sạch, mẻ nhỏ, xưởng đúc |
| Lò có giếng nạp chìm | Phế liệu vụn được kéo chìm ngay vào nhôm lỏng tuần hoàn | Lon ép, phoi, vật mỏng dễ ôxy hoá |
Trước khi vào lò, phế liệu nhôm thường được nghiền, tách sắt bằng nam châm, tách nhựa và giấy, có khi được sấy hoặc đốt bỏ lớp sơn trong lò tách sơn để giảm khói và hao hụt.
Xỉ nhôm là gì và vì sao nó phiền?
Nhôm có ái lực rất mạnh với ôxy. Bề mặt nhôm lỏng tiếp xúc không khí lập tức tạo màng nhôm ôxít; khi khuấy, màng này cuộn lẫn với giọt nhôm thành một lớp xám đục nổi trên mặt bể, gọi là xỉ nhôm. Xỉ nhôm có thể còn chứa một phần đáng kể nhôm kim loại, nên các nhà máy đều tìm cách thu hồi lại.
Muối trợ dung làm gì?
Trong lò quay, người ta nấu nhôm dưới lớp muối nóng chảy, thường là hỗn hợp natri clorua và kali clorua với một ít muối florua. Lớp muối che không cho không khí chạm vào nhôm, hoà tan màng ôxít và giúp các giọt nhôm nhỏ nhập lại với nhau. Sau mẻ nấu, phần muối lẫn ôxít đông lại thành "bánh muối".
Vì sao xỉ nhôm không được để ngấm nước?
Xỉ nhôm và bánh muối chứa nhôm nitrua, nhôm cacbua và nhôm kim loại mịn. Gặp nước hay hơi ẩm, chúng phản ứng sinh ra khí amoniac (mùi khai), khí hyđrô dễ cháy, có khi cả mêtan, và toả nhiệt. Đống xỉ nhôm đổ bừa ngoài trời gặp mưa có thể bốc mùi, nóng lên và trong trường hợp xấu gây cháy. Vì vậy xỉ nhôm và bánh muối được xếp vào nhóm chất thải phải quản lý chặt; các nhà máy hiện đại xử lý để thu hồi muối, nhôm còn lại và biến phần ôxít thành nguyên liệu cho xi măng, vật liệu chịu lửa.
Nhôm tái chế được dùng vào đâu?
Đầu ra của nhôm tái chế phụ thuộc gần như hoàn toàn vào việc phế liệu được phân loại kỹ tới đâu:
- Hợp kim đúc: đây là "nơi đến" lớn nhất của phế liệu lẫn. Hợp kim đúc vốn chứa nhiều silic và chịu được một ít sắt, đồng, nên dùng làm vỏ hộp số, thân động cơ, mâm xe, vỏ máy bơm, linh kiện xe máy.
- Thanh định hình: khung cửa, khung nhôm kính tái chế có thể quay lại làm thanh định hình nếu được phân loại riêng theo hợp kim họ 6xxx.
- Tấm và cuộn: đòi phế liệu rất sạch, thường là phế liệu nội bộ của nhà máy cán hoặc lon nhôm thu gom riêng; vòng đời lon nhôm về lại lon nhôm là ví dụ quen thuộc nhất của tái chế vòng kín.
- Chất khử ôxy cho thép: nhôm chất lượng thấp đôi khi được đưa vào nhà máy thép để khử ôxy trong thép lỏng.
Xu hướng hiện nay là ô tô dùng nhiều nhôm tấm và nhôm định hình hơn, trong khi động cơ đốt trong, nơi tiêu thụ nhiều hợp kim đúc, giảm dần ở xe điện. Điều đó khiến bài toán phân loại phế liệu nhôm theo hợp kim ngày càng quan trọng: nếu tất cả nhôm cũ đều bị trộn chung, sẽ có lúc lượng hợp kim đúc tạo ra nhiều hơn nhu cầu.
Làm sao biết nhôm tái chế có đạt chất lượng?
Nhà máy nhôm thứ cấp kiểm soát chất lượng ở ba khâu:
- Đầu vào: phân loại phế liệu theo nguồn gốc (lon, khung cửa, mâm xe, phoi), dùng máy phân tích cầm tay hoặc máy phân loại tự động để nhận hợp kim.
- Trong lò: lấy mẫu nhôm lỏng phân tích bằng máy quang phổ phát xạ, rồi điều chỉnh bằng cách thêm silic, magie, đồng hoặc pha loãng bằng nhôm nguyên sinh.
- Tinh luyện: thổi khí trơ (argon, nitơ) qua nhôm lỏng để kéo hyđrô hoà tan và tạp chất phi kim nổi lên; lọc qua tấm lọc gốm trước khi đúc. Hyđrô trong nhôm là nguyên nhân chính gây rỗ khí ở vật đúc.
Nhôm tái chế đạt đúng mác hợp kim thì có cơ tính tương đương nhôm nguyên sinh cùng mác. Khác biệt chỉ nằm ở dải hợp kim mà nó có thể làm ra.
Góc nhìn hôm nay: nhôm tái chế và dấu chân cacbon
Vì nhôm nguyên sinh tốn điện, dấu chân cacbon của nó phụ thuộc mạnh vào nguồn điện: nhôm điện phân bằng thuỷ điện phát thải thấp hơn nhiều so với nhôm dùng điện than. Nhôm tái chế thì nhỏ hơn cả hai. Nhiều nhà sản xuất ô tô, đồ điện tử nay công bố tỷ lệ nhôm tái chế trong sản phẩm như một chỉ tiêu môi trường.
Với người dùng, điều có ích nhất là giữ nhôm phế liệu sạch và tách riêng: khung nhôm cũ tháo hết kính, gioăng cao su; nồi nhôm hỏng tách cán nhựa; không nhét pin hay bình xịt vào chung. Người muốn tìm hiểu thêm có thể đọc tài liệu của Viện Nhôm Quốc tế về dòng nhôm toàn cầu, giáo trình luyện kim màu ở các trường kỹ thuật, và chương nhôm trong sách giáo khoa Hoá học lớp 12. Bài này không hướng dẫn tự nấu nhôm ở nhà: nhôm lỏng gặp lon ẩm, khuôn ẩm có thể bắn tung, và lò tự chế không có hệ thống hút khói cho sơn, nhựa cháy.
Câu hỏi thường gặp
Tái chế nhôm tiết kiệm bao nhiêu năng lượng?
Các nguồn trong ngành thường dẫn mức tiết kiệm khoảng 95% so với làm nhôm từ quặng. Phần lớn năng lượng của nhôm nguyên sinh nằm ở khâu điện phân, còn tái chế chỉ cần nung chảy và tinh luyện.
Nhiệt độ nóng chảy của nhôm là bao nhiêu?
Nhôm nguyên chất nóng chảy ở khoảng 660 °C. Các hợp kim nhôm có khoảng nóng chảy thấp hơn một chút tuỳ thành phần; nhôm lỏng thường được giữ khoảng 700–750 °C để rót.
Xỉ nhôm có nguy hiểm không?
Có. Xỉ nhôm và bánh muối gặp nước sinh ra amoniac, hyđrô dễ cháy và toả nhiệt. Chúng phải được lưu chứa khô và xử lý ở cơ sở có chức năng, không được đổ bừa ra đất.
Nhôm tái chế có kém nhôm mới không?
Nhôm tái chế đạt đúng mác hợp kim có cơ tính tương đương nhôm mới. Hạn chế là phế liệu lẫn nhiều loại hợp kim thường chỉ làm được hợp kim đúc, không làm được tấm mỏng cao cấp.
Vì sao nhôm tái chế hay thành vỏ động cơ, mâm xe?
Hợp kim đúc chứa nhiều silic và chịu được một lượng sắt, đồng nhất định, nên hấp thụ được phế liệu lẫn lộn. Vỏ động cơ, hộp số, mâm xe đều làm từ hợp kim đúc.
