アルミニウムリサイクル

アルミニウムのリサイクルは、スクラップやその他の使用済みアルミニウム、あるいはその他の使用不可能なアルミニウムから二次商用アルミニウムを作成するプロセスです。 ^[1]このプロセスでは金属を再溶解しますが、これはバイエル法やホール・エルー法を使用して原料ボーキサイトから精製したアルミナ（Al ₂ O ₃ ）を電気分解してバージンアルミニウムを生産するよりも安価でエネルギー効率に優れています。

アルミニウムスクラップのリサイクルには、原鉱石から新しいアルミニウムを製造するのに使用されるエネルギーのわずか5％しか必要ありません。^[2] 2022年に米国は、生産された一次アルミニウム1トンに対して3.86トンの二次アルミニウムを生産しました。同じ期間に、二次アルミニウムは輸入を含むアルミニウムの総新規供給の34％を占めました。^[3]使用済みの飲料容器は、処理されたアルミニウムスクラップの最大の構成要素であり、そのほとんどはアルミ缶に再製造されています。^[4]

アルミニウムのリサイクルの第一歩は、様々な発生源からアルミニウムスクラップを収集し、選別することです。^[5]アルミニウムスクラップは、主に製造スクラップまたは車両、建築資材、消費財などの使用済みアルミニウム製品から発生します。^[5]製造スクラップには、細片、削りくず、切断片、および製造プロセスからのその他の残りのアルミニウムが含まれます。使用済みスクラップは、廃止または廃棄されたアルミニウム製品で構成されます。特に、アルミ缶^{[6]は、リサイクル可能なアルミニウムスクラップの主な発生源です。収集されたアルミニウムスクラップは、合金の種類、等級、不純物レベル、およびその他の要因に基づいて選別されます。 [6]}選別は手作業で行うことも、渦電流分離機、空気分級機、密度分離機などの技術を使用して行うこともできます。 ^[7]スクラップは、鍛造合金スクラップ、鋳造合金スクラップ、使用済み飲料缶、自動車スクラップ、混合スクラップなどのカテゴリに分類されます。

選別後、スクラップは溶解に備えて前処理工程を経る場合があります。^[8]これらには、梱包、細断、破砕、造粒、脱コーティング、脱磁が含まれます。^[9]細断と破砕により、スクラップの粒子サイズが小さくなり、他の材料から解放され、造粒により溶解に最適な微粒子が生成されます。^[10]熱脱コーティングにより、アルミニウム表面から塗料やプラスチックなどのコーティングが除去されます。^[7]脱磁により、アルミニウムスクラップに付着した鉄粒子が除去されます。前処理により、スクラップの密度が向上し、汚染物質が除去されるため、溶解が速くなり、金属がきれいになり、ドロスの形成が減り、エネルギー消費が削減されます。^[11]

前処理されたアルミニウムスクラップは、溶解および液体金属処理を経て、鋳造または再処理に適した精製アルミニウム合金が製造されます。^[11]スクラップの種類、必要な金属品質、および経済性に基づいて、さまざまな炉の種類が使用されます。小さなスクラップは通常、回転式または反射式ガス燃焼炉で処理されますが、大きな個々のスクラップは、側面のウェルから直接反射炉に投入できます。^[10]電気誘導炉も使用されます。スクラップが溶解すると、フラックスが追加され、不純物を結合して吸収し、ドロスとして上部から削り取られます。塩素ガスを注入して、浮選により不純物を除去することもできます。その後、溶融物はフラックス注入などの精製プロセスを経て、水素と不純物をさらに減らすことができます。脱ガスにより溶解した水素が除去され、化学ろ過により固体の不純物と介在物が除去されます。最終結果は、鋳造可能な溶融アルミニウム合金です。^[12]

溶融したリサイクルアルミニウムは、インゴット、スズなどの固体に鋳造されるか、または直接シートや押し出しビレットに鋳造されます。直接冷却鋳造は、押し出しまたは圧延用に液体アルミニウムを大きな円筒形のビレットに固めるために一般的に使用されます。^[7]直接冷却法では、鋳型から出てくる熱い金属に水を噴霧し、急速に冷却して固体ビレットにします。^[13]インゴットの場合、ブックモールドがよく使用され、再溶解または圧延に適したスラブインゴットが製造されます。^[14]連続鋳造では、中間のインゴット鋳造ステップなしで、アルミニウムを直接圧延スラブに成形します。ツインベルトまたはツインロールストリップ鋳造では、その後の圧延用に、溶融物から直接 6～7 mm の厚さの合金ストリップが製造されます。鋳造方法は、リサイクルアルミニウム合金のその後の処理と使用方法によって異なります。^[15]

純粋なアルミニウムは1825年にはすでに生産されていましたが、^[16]二次アルミニウム生産、つまりリサイクルは、工業的に実行可能な一次アルミニウムプロセス、すなわちバイエル法とホール・エルー法の組み合わせの導入により増加しました。アルミナからアルミニウムを生産するホール・エルー法は、1886年にチャールズ・ホールとポール・エルーによって発明されました。^[17] カール・ヨーゼフ・バイエルは、 1888年に原料ボーキサイトをアルミナに変換する多段階プロセスを考案しました。^[18]これら2つのプロセスの使用によりアルミニウム生産が増加するにつれて、アルミニウムのリサイクルも成長しました。1904年、米国で最初の2つのアルミ缶リサイクル工場が建設されました。1つのリサイクル工場はイリノイ州シカゴに、もう1つはオハイオ州クリーブランドに建設されました。^[19]第一次世界大戦中に金属資源が逼迫したとき、米国政府は民間人にアルミ製の鍋、フライパン、ボート、車両、おもちゃなどの古い製品を寄付してアルミ製の航空機の機体製造にリサイクルするよう呼びかけ、アルミニウムのリサイクル量が最も大幅に増加しました。^[19]

アルミニウムは無限にリサイクル可能な素材であり、リサイクルには一次アルミニウムを生産するよりも最大95％少ないエネルギーしか必要とせず、温室効果ガスを含む排出量も制限されます。今日、歴史上生産されたアルミニウムの約75％、約10億トンがまだ使用されています。^[20]

アルミニウムのリサイクルは、収集、分離、リサイクルのコストを考慮しても、新しいアルミニウムの生産に比べて一般的に大幅なコスト削減をもたらします。^{[21]長期的には、}埋立地、鉱山、および原料アルミニウムの国際輸送に関連する資本コストの削減を考慮すると、さらに大きな国の節約になります。

アルミニウムのリサイクルには、ボーキサイトからアルミニウムを製造するのに必要なエネルギーの約5％が使用されます。^[22]アルミニウム酸化物をアルミニウムに変換するのに必要なエネルギーの量は、テルミットまたは過塩素酸アンモニウム複合推進剤の燃焼中にプロセスを逆転させたときに鮮明に見ることができます。

アルミニウムダイ押し出しは、アルミニウムスクラップから再利用可能な材料を得るための特別な方法ですが、溶解プロセスで大量のエネルギーを消費する必要はありません。2003年には、アルミニウムで製造された製品の半分がリサイクルされたアルミニウム材料から供給されました。^[23]

二酸化炭素の排出に関する利点は、使用されるエネルギーの種類によってある程度異なります。電気分解は、原子力、地熱、水力、太陽光などの非化石燃料源からの電力を使用して行うことができます。アルミニウム生産は、安価な電力源に惹かれます。カナダ、ブラジル、ノルウェー、ベネズエラは、61〜99％が水力発電であり、主要なアルミニウム生産国です。ただし、ホール・エルー法で広く使用されている陽極は炭素でできており、アルミニウム生産中に消費され、電源に関係なく大量の二酸化炭素が発生します。^[24]炭素陽極の必要性をなくすための取り組みが進行中です。^[25]リサイクルアルミニウムを使用すると、ボーキサイトの採掘と精製の必要性も減ります。

アルミニウムの使用量が非常に多いため、わずかな損失でも大きな出費となるため、材料の流れは十分に監視され、財務上の理由から計上されています。効率的な生産とリサイクルは環境にも有益です。^[26]

多くの国がアルミニウム生産に石炭火力発電に依存し続けているため、アルミニウム産業は世界の温室効果ガス排出量の2％、約11億トンの二酸化炭素を排出しています。^[27]現在、多くの国がアルミニウムの脱炭素化を目指していますが、これはアルミニウムが世界で2番目に多く使用されている金属であるというだけでなく、気候変動を遅らせる取り組みの一環として温室効果ガスの総排出量を大幅に削減することにもつながるためです。^[28]

アルミニウムは、現在使用されている最もリサイクル可能な（そしてリサイクルされた）材料の一つであり、事実上無限にリサイクルすることができます。リサイクルされたアルミニウムは、新しいアルミニウムの製造に使用されるエネルギーの5％しか使用しないため、製造されたアルミニウムの約75％が現在も使用されています。^[29]アルミニウム協会によると、自動車や建築などの産業市場では、アルミニウムは最大90％の割合でリサイクルされています。

1991年以降、アルミ缶からの温室効果ガス排出量はエネルギー需要レベルと同程度、約40％減少した。これは、一次アルミニウム生産の炭素強度の低下、製造工程の効率化、缶の軽量化に起因すると考えられる。^[30]一次アルミニウムは缶の26.6％を占めるに過ぎないが、缶の炭素フットプリントの主な発生源となっている。例えば、2020年現在、中国のアルミニウム生産の86％は主に石炭発電に依存している。一方、カナダは一次アルミニウム生産の約90％を水力発電で調達しており、これが世界で最も持続可能な発電方法であると考えている。^[28]

アルミニウムとその用途は、防衛建設や送電から、排出削減製品（電気自動車やソーラーパネル）における重要な役割まで、幅広く多岐にわたります。そのため、各国は地球規模の気候変動と闘うためにアルミニウムの脱炭素化に取り組み始めています。

アルミニウムのリサイクルは、適切に行われれば、いくつかの経済的メリットがあります。実際、環境保護庁は、リサイクルを米国経済の「重要な」部分と見なし、税収、賃金、雇用創出に貢献しています。 ^[31]アルミニウムのリサイクルは、スクラップの取り扱いを容易にし、その効率を改善することで（「使用済み」スクラップから生産段階全体にわたるスクラップの再利用（「社内」スクラップ）まで）、循環型経済の目標達成に役立ちます。^[32]このタイプの経済は、天然資源の抽出を最小限に抑えることに焦点を当てており、消費者および産業廃棄物の削減につながります。循環型経済への移行を採用した国の例としては、欧州連合、フィンランド、フランス、スロベニア、イタリア、ドイツ、オランダなどがあります。^[33]

米国内で最近実施された調査では、アルミニウムのリサイクルが次のような経済的利益をもたらすことが証明されています。

• 雇用創出：再処理事業により米国経済に10万人以上の雇用を創出します。
• 経済活動：約16億ドルの材料販売をもたらす
• 賃金の引き上げ: 廃棄物管理およびリサイクル産業の賃金を 21 億ドルから 50 億ドルに引き上げます。
• 省エネ: 年間 150 万世帯に電力を供給するのに十分なエネルギーを節約します。
• 廃棄物管理: 毎年 100 万トン以上の廃棄物を埋め立て地に送らないようにします。

各国がアルミニウムのリサイクルによるさまざまな経済的・環境的利益に注目するにつれ、このプロセスの有効性を向上させるための取り組みが強化されることが期待されます。

国際アルミニウム協会の2020年のデータによると、世界のリサイクル効率は76％です。これまでに生産された約15億トンのアルミニウムのうち、約75％が現在も生産に使用されています。^[34]

ブラジルはアルミ缶生産量の98.2%をリサイクルしており、これは年間147億本の飲料缶に相当し^[35] 、これは世界第1位であり、日本の82.5%の回収率を上回っている。ブラジルは8年連続でアルミ缶リサイクルランキングでトップとなっている^{[36] 。}

リサイクルされたアルミニウム飲料缶を除けば、リサイクルされたアルミニウムの大部分は異なる合金の混合物である。これらの合金は一般にシリコン（Si）の割合が高く、不純物を減らすために細断、選別、精製の過程で追加の精製が必要となる。精製後に発見される不純物のレベルのため、リサイクルされたアルミニウム合金の用途は鋳造と押し出しに限定されている。航空宇宙産業では、合金中のSiとFeの不純物レベルを最大0.40％に制限することが多い。金属がリサイクルされる頻度が高くなるほど、これらの元素の出現を制御することはますます困難になり、合金が性能要件を満たすためにはよりコストの高い操作が必要となる。^[38]

一次アルミニウム生産および二次リサイクル作業から生じる残留物であるホワイトドロスは、通常廃棄物に分類されるが、^[39]工業的に抽出できる有用な量のアルミニウムがまだ含まれている。^[40]このプロセスでは、非常に複雑な廃棄物とともにアルミニウムビレットが生成される。この廃棄物は管理が難しい。水と反応してガス混合物（水素、アセチレン、アンモニアなど）を放出し、空気に触れると自然発火する。^[41]湿った空気に触れると大量のアンモニアガスが放出される。しかし、これらの困難にもかかわらず、この廃棄物はアスファルトやコンクリートの充填材として使用されている。^[42]

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• 世界の二次アルミニウム製錬業者 - 二次アルミニウム（つまり、スクラップ金属からリサイクルまたは再溶解したもの）を生産する企業のリスト