Trên thế giới, nhu cầu về nhiều loại kim loại tiếp tục tăng, do dân số tăng và tiến bộ công nghệ đang diễn ra nhanh chóng. Các hoạt động khai thác mỏ phải đối mặt với áp lực ngày càng tăng để chiết xuất lượng nguyên liệu thô lớn hơn, nhưng tình trạng thiếu hụt nguồn cung đáng kể đang được dự đoán trước. Do đó, tái chế phế liệu kim loại đã trở thành một chiến lược quan trọng để đáp ứng những nhu cầu này. Tái chế kim loại giúp bảo tồn các nguồn tài nguyên vô giá – giải quyết vấn đề về bền vững môi trường – và cũng mang lại khả năng tiết kiệm chi phí so với việc khai thác quặng mới, vì nó tiêu thụ ít năng lượng hơn đáng kể. Tuy nhiên, hiệu quả của việc tái chế phụ thuộc rất nhiều vào việc áp dụng các kỹ thuật nhanh chóng và đáng tin cậy để xác định thành phần của vật liệu cần xử lý. Công nghệ huỳnh quang tia X (XRF – X-ray fluorescence) đặc biệt phù hợp cho mục đích này, cho phép các doanh nghiệp tái chế nhanh chóng, xác định chính xác kim loại và hợp kim có trong mẫu phế liệu, đồng thời phân loại phế liệu số lượng lớn một cách hiệu quả theo loại hợp kim.

Tầm quan trọng của việc tái chế phế liệu kim loại
Khi dân số thế giới tăng lên, nhu cầu về kim loại cho cơ sở hạ tầng, xây dựng và giao thông vận tải cũng tăng theo. Cùng với sự chuyển đổi sang năng lượng xanh và các nỗ lực khử carbon – nơi mà gần 90% quốc gia đã cam kết đạt mục tiêu phát thải carbon ròng bằng không (net-zero) – nhu cầu về các kim loại có những tính chất đặc thù đang ngày càng gia tăng. Ví dụ, quá trình chuyển đổi từ xe chạy bằng nhiên liệu hóa thạch sang xe điện (EV – electric vehicle) làm tăng nhu cầu về pin lithium-ion, vốn phụ thuộc vào các kim loại như coban, niken, nhôm và đồng với khối lượng lớn hơn. Sự gia tăng tiêu thụ kim loại này lại trùng khớp với những vấn đề mà ngành khai thác mỏ trên toàn thế giới đang phải đối mặt, bao gồm chi phí năng lượng cao, nguồn cung quặng chất lượng cao đang cạn kiệt và các hoạt động khai thác ngày càng phải xử lý các quặng có hàm lượng kim loại thấp.

Một giải pháp khả thi là tăng cường hoạt động tái chế phế liệu kim loại. Để thành công, điều quan trọng là cần biết chính xác thành phần hóa học của vật liệu tái chế và xác định đúng các loại hợp kim khác nhau để tránh nhiễm bẩn trong các quy trình chế biến tiếp theo. Việc nhanh chóng xác định các thành phần phế liệu có giá trị nhất có thể tăng đáng kể lợi nhuận, từ đó tạo cơ sở để đầu tư vào các công cụ phân tích. Các thiết bị di động như máy phân tích huỳnh quang tia X (XRF) cầm tay cung cấp cho các doanh nghiệp tái chế khả năng xác định thành phần và loại kim loại chỉ trong vài giây, mà không cần đến các thử nghiệm truyền thống, phức tạp hơn như phương pháp quang phổ hồ quang hoặc phân tích hóa học, vốn yêu cầu phải nghiền mẫu và sử dụng hóa chất độc hại. Các máy XRF cầm tay (HHXRF – handheld XRF) có thể phát hiện các nguyên tố có giá trị cao trên nhiều loại hợp kim, từ nồng rất thấp đến kim loại gần như tinh khiết. Điều đáng chú ý là chúng có thể phân biệt được giữa các loại hợp kim có tính chất gần giống nhau như thép không gỉ 303, 321 và 347 – vốn chỉ khác nhau ở hàm lượng nguyên tố dưới 0,5%. Nhưng các máy phân tích này thực sự hoạt động như thế nào?

Nguyên lý hoạt động của máy phân tích XRF
Các máy phân tích HHXRF – như Thermo Scientific Niton XL2 Plus – phát ra tia X sơ cấp chiếu trực tiếp vào bề mặt mẫu. Các nguyên tử bên trong mẫu hấp thụ bức xạ này và phát ra tia X thứ cấp đặc trưng, ​​được gọi là huỳnh quang, mỗi nguyên tố có một mức năng lượng khác nhau. Đầu dò của thiết bị sẽ thu thập các tia X thứ cấp này, chuyển đổi chúng thành các tín hiệu điện tử được khuếch đại, đếm và xử lý bởi bộ xử lý trung tâm (CPU – central processing unit) của máy phân tích. Sau đó, bộ CPU sẽ tạo ra một phân tích toàn diện về thành phần nguyên tố và xác định loại vật liệu. Phương pháp này không phá hủy mẫu thử, giữ nguyên trạng thái mẫu vật và cho kết quả gần như tức thời.

Công nghệ HHXRF đã trở thành một tiêu chuẩn đáng tin cậy trong các hoạt động tái chế phế liệu trên khắp thế giới. Nó đặc biệt hiệu quả trong việc phân biệt nhanh chóng các loại hợp kim trong các nhóm kim loại đồng nhất – như phân loại các loại thép không gỉ khác nhau từ các luồng phế liệu đầu vào hỗn hợp. Tuy nhiên, máy XRF có những hạn chế trong việc phát hiện các nguyên tố nhẹ hơn magie trong bảng tuần hoàn vì năng lượng tia X phát ra của chúng quá thấp để các bộ dò có thể ghi nhận. Trong những trường hợp như vậy, các công nghệ bổ sung như máy phân tích quang phổ phá vỡ bằng laser cầm tay (LIBS – laser-induced breakdown spectroscopy) cung cấp các khả năng phân tích bổ sung có giá trị.

Hoạt động phân loại phế liệu thường diễn ra trong các điều kiện môi trường phức tạp, như các bãi phế liệu ngoài trời phải chịu ảnh hưởng bởi sự thay đổi thời tiết. Các máy phân tích HHXRF được thiết kế để cung cấp kết quả phân tích hàm lượng hợp kim nhanh chóng và chính xác ngay cả trong những điều kiện môi trường khó khăn này. Tốc độ phân tích nhanh giúp cải thiện hiệu quả hoạt động cho các doanh nghiệp tái chế, trong khi dữ liệu thành phần chính xác giúp tối đa hóa giá trị giao dịch của các lô phế liệu. Các nhà máy thép và xưởng đúc cũng sử dụng máy HHXRF để phát hiện các nguyên tố vi lượng hoặc tạp chất gây ô nhiễm có thể ảnh hưởng xấu đến các bước nấu chảy và tái chế khi xử lý phế liệu số lượng lớn. Khi vật liệu phế liệu được đưa vào dây chuyền chế tạo và sản xuất, các máy phân tích này sẽ hỗ trợ cả người mua và người bán trong việc xác minh chất lượng và giá trị của vật liệu.

Ngoài việc đánh giá kim loại khối, các ngành công nghiệp như ô tô và hàng không vũ trụ phụ thuộc rất nhiều vào lớp phủ để cải thiện các đặc tính như khả năng chống ăn mòn, độ bền mài mòn và khả năng chịu nhiệt. Trước đây, việc đo độ dày lớp phủ yêu cầu các thiết bị cầm tay chuyên dụng để kiểm tra độ dẫn điện hoặc từ tính, hoặc thử nghiệm phá hủy mẫu trong phòng thí nghiệm. Ngày nay, các thiết bị HHXRF có thể đo độ dày lớp phủ tại chỗ mà không cần phá hủy, cung cấp dữ liệu nhanh chóng và đáng tin cậy. Điều này đảm bảo các lớp phủ đạt tiêu chuẩn, giảm thiểu các lỗi sản xuất và các nguy cơ hỏng hóc sản phẩm tiềm ẩn.

Công nghệ HHXRF được ứng dụng rộng rãi trong khai thác mỏ và thăm dò, như xác minh chất lượng quặng tại chỗ. Nó định lượng chính xác thành phần kim loại và hợp kim, cho phép doanh nghiệp sản xuất xác nhận rằng vật liệu được cung cấp đáp ứng các thông số kỹ thuật đã đề ra. Hơn nữa, công nghệ HHXRF còn có giá trị ứng dụng trong khảo cổ học, cung cấp các phân tích nguyên tố không xâm lấn đối với các hiện vật, nhằm cung cấp những thông tin chi tiết về vật liệu và nguồn gốc của chúng.

Để xem các tin bài khác về “Tái chế”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Metalworking World Magazine