Al giorno d'oggi la consapevolezza del problema ambientale risalta dalle priorità che, non solo i singoli governi nazionali, ma anche a livello di politiche internazionali, vengono intraprese nell'ambito del risparmio delle risorse naturali ed energetiche attraverso la produzione di beni riciclabili, e nell’ambito della riduzione del volume di rifiuti tramite il riciclaggio. Questo è solo un aspetto dell’aumentata sensibilità verso la più generale problematica riguardante la valutazione dell’impatto che hanno le attività umane sull'ambiente.

In quest'ottica è nato, ed ha assunto sempre maggior rilievo, il concetto di sviluppo sostenibile, cioè di uno sviluppo economico che soddisfi i bisogni del presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri. Ciò si traduce nella necessità, ormai inderogabile, di calibrare i comportamenti ed i consumi umani alla capacità di carico del pianeta tramite un'oculata gestione delle risorse naturali (specie quelle esauribili) al fine di evitarne lo spreco e il depauperamento.

Man mano che il livello di benessere della società è cresciuto, è aumentata notevolmente anche la quantità dei consumi e dei relativi rifiuti: cambiando gli acquisti della famiglia è cambiato pure il loro impatto sull'ambiente. Ad esempio sessant’anni fa, le famiglie italiane, utilizzavano a tavola l'acqua dell'acquedotto comunale; latte, olio e vino venivano acquistati sfusi presso gli specifici rivenditori dai quali il consumatore si recava con l'apposito recipiente. Pane, pasta, riso, legumi, formaggio e salumi venivano acquistati sciolti e avvolti in carta. L'incremento del reddito familiare congiunto al progresso tecnologico, che ha visto l'introduzione e la rapida diffusione nel mercato delle scatole e di altri tipi di contenitori, hanno portato a rapide modifiche nel comportamento dei consumatori. Il cambiamento, dunque, negli acquisti e nei consumi non ha riguardato solamente la quantità, la qualità e la varietà dei beni oggetto di consumo, ma si è manifestato anche con riferimento al modo in cui le diverse merci sono state, nel tempo, offerte e consegnate ai compratori-consumatori.

La cosiddetta società dei consumi è diventata rapidamente la società degli sprechi degradando infine nella società dei rifiuti in conformità alla seguente equazione:

Il problema dello smaltimento dei rifiuti solidi urbani è nato e si è sviluppato proprio in questo contesto; esso è strettamente collegato alla qualità dei consumi che vengono effettuati e che, a loro volta, risultano direttamente dipendenti dalle risorse a disposizione del consumatore.

In futuro, dunque, per evitare il collasso ambientale sarà necessario rivedere tempi e modi dello sviluppo economico sia delle aree cosiddette industrializzate sia di quelle in via di sviluppo. In altre parole c’è bisogno di uno sviluppo economico che non si preoccupi solo dei problemi di un mercato globale sempre più "affamato" di qualità e quantità, ma che sia pure sensibile alle problematiche ambientali e quindi, nello specifico, sia rivolto a sviluppare quei processi produttivi che mirano al riciclaggio. Questo perché è necessario rivoluzionare il concetto di riciclaggio trasformandolo da quello che è attualmente considerato cioè "un’antieconomica operazione di chiusura di ciclo produttivo", imposta più da allarmistiche quanto sterili (anche se ciò non dovrebbe essere!) considerazioni di carattere ambientale che da lucida programmazione, in un vero e "processo produttivo ben pianificato", cioè in una risorsa economicamente conveniente, anche con il supporto di una valida e apposita legislazioni in materia, che coniughi il tanto ricercato ritorno economico con il benessere ambientale e sociale. Ebbene il riciclaggio dell’alluminio si presta molto bene allo scopo!

PERCHE' RICICLARE L'ALLUMINIO
 
 

Se il riciclaggio di materiali quali carta, sostanza organica (il cosiddetto umido), ed al limite anche plastica e vetro, significa proteggere l'ambiente in quanto si riduce la quantità di rifiuti da smaltire in discarica con indubbi vantaggi dal punto di vista della ricettività ambientale e dell'alleggerimento del lavoro dei servizi pubblici, il riciclaggio dell'alluminio offre pure il vantaggio di un notevole risparmio energetico ed economico. Questo non solo perché permette di risparmiare fino al 90% dell'energia richiesta per produrlo partendo dalla materia prima, ma anche perché grazie alla sua grandissima diffusione ed al suo alto valore intrinseco (circa dalle 1000¸ 1300 £/kg) rende conveniente l'utilizzo di tecnologie di recupero da qualsiasi manufatto obsoleto (rottame) anche molto complesse e costose. Sotto questo aspetto, quindi, l'alluminio ottenuto da rottame (o riciclato), da "rifiuto" diventa una risorsa economica non indifferente, per l'economia di un Paese. Basti pensare che in Europa, l'Italia è leader europeo in fatto di produzione di alluminio secondario (o meglio riciclato) con una produzione che supera le 400.000 t/anno, ed occupa una posizione di assoluta eccellenza nel panorama mondiale. E questo è veramente sorprendente se si considera che l'Italia è quasi completamente sprovvista di giacimenti di materia prima (bauxite) per la produzione di alluminio primario: il riciclaggio ha permesso di ridurre le importazioni di minerale di alluminio che attualmente sono dell'ordine del 30% del fabbisogno annuale.

Si sottolinea il fatto che l'alluminio riciclato da rottame viene chiamato impropriamente secondario: questo nome è la sola diversità che lo distingue da quello primario, ottenuto cioè dalla bauxite, tanto più che il metallo ottenuto da rottami rifusi, presenta sempre più spesso caratteristiche metallurgiche analoghe a quelle dell'alluminio primario (alluminio primario e secondario).

Da un punto di vista ecologico, dunque, il riciclaggio dell'alluminio fornisce un contributo significativo allo sviluppo sostenibile, poiché, grazie alle attività di riciclaggio, l'alluminio non viene consumato, ma semplicemente utilizzato per l'intera durata in servizio di un determinato prodotto (life of the product).

Una volta estratto dall'ossido di alluminio tramite elettrolisi, il metallo conserva in sé l'energia necessaria alla sua produzione. Le materie prime secondarie in alluminio rappresentano quindi una "banca di energia", poiché, per la fusione del rottame in un forno, è sufficiente solo il 5% dell'energia utilizzata per l'elettrolisi.

In verità ad essere precisi, considerando il trattamento delle materie prime secondarie (rottame), le operazioni di filtraggio ed il recupero dei residui generati durante il processo di produzione, porta la percentuale di energia consumata nell'intero processo di riciclaggio oltre il 5%. Anche prendendo in considerazione questi fattori, la quantità complessiva di energia necessaria alla produzione dell'alluminio secondario è comunque molto vicina al 90% rispetto alla produzione di primario. Questo importante vantaggio ecologico del secondario ci porta a considerare il valore economico del riciclaggio delle materie prime secondarie in alluminio.

Esattamente come nel caso del primario, è l'energia immagazzinata nel metallo che conferisce un elevato valore al rottame, il che assicura la remuneratività del riciclaggio dell'alluminio.

L’ALLUMINIO E LE SUE LEGHE
 
 

L'alluminio ha poco più di cento anni, ciò nonostante è da considerarsi un metallo "recente" se paragonato al ferro e all'acciaio che hanno segnato le tappe fondamentali della civilizzazione dell'uomo e della rivoluzione industriale. L'alluminio, infatti, inizia il suo sviluppo come materiale multiuso, solo in questo secolo. In poco tempo è però riuscito ad imporsi nella società industriale portandosi al secondo posto dopo l'acciaio sia come produzione che come impieghi.

L'alluminio è il terzo elemento più abbondante (circa 8%) sulla crosta terrestre dopo ossigeno e silicio.
 
 

Allo stato metallico è tuttavia a disposizione da poco più di un secolo per la grande difficoltà incontrata nel separarlo dal suo ossido, l’allumina (Al₂O₃).

Come tutti i metalli abbondanti (cioè, quelli presenti nella crosta terrestre con percentuali maggiori dello 0.01%) si trova combinato con ossigeno e silicio sotto forma di silicati (es.: albite NaAlSi₃O₈, anortite CaAl₂Si₂O₈). Considerato che i silicati sono materiali refrattari al calore e difficili a scomporsi, essi vengono considerati fonti economicamente non ideali di alluminio primario.

I minerali (abbondanti o scarsi che siano) da cui risulta economicamente conveniente estrarre alluminio sono gli ossidi, gli idrossidi, i carbonati ed i solfuri.

Il minerale più importante e punto di partenza per la produzione del cosiddetto alluminio primario, è la bauxite (Al₂O₃·nH₂O) che è un ossido di alluminio idrato.

Ragioni geologiche, intimamente connesse alle proprietà chimico-fisiche dei vari metalli, fanno si che i giacimenti di minerali da cui estrarre gli stessi si trovino distribuite in maniera disomogenea sulla superficie terrestre. I maggiori giacimenti di minerali di alluminio si trovano principalmente in Australia, Guinea, America Centrale (Guyana Francese, Giamaica), ma anche negli Stati Uniti, Russia ed Europa.

I metodi impiegati per ottenere i metalli allo stato libero sono detti metallurgici e vengono distinti in due categorie:- processi pirometallurgici in cui i minerali di partenza devono essere ossidi o solfuri. Tuttavia se si hanno a disposizione minerali che non sono sotto tali forme, sono necessari trattamenti preventivi che tali da riportare alla stesse. In tal caso si ha la calcinazione se i minerali a disposizione sono dei carbonati, mentre si ha la desolforazione se i minerali di partenza sono dei solfati.

Ottenuti gli ossidi ed i solfuri si procede mediante riscaldamento senza o con l'ausilio di sostanze riducenti alla liberazione del metallo in essi contenuto. Le sostanze riducenti più impiegate sono l'ossido di carbonio (CO), il carbonio (C) e l'alluminio.

Un esempio di processo pirometallurgico è la produzione della ghisa e degli acciai.

- processi elettrometallurgici in cui i minerali da cui si desidera ottenere un certo metallo devono essere riconducibili allo stato fuso; pertanto se il minerale di partenza non fonde dietro semplice riscaldamento, devono essere aggiunte altre sostanze, dette fondenti, che abbassano il loro punto di fusione. Ottenuto il minerale allo stato fuso, la liberazione del metallo avviene per elettrolisi, ossia con l'impiego della corrente elettrica che scorre tra due elettrodi.

Un esempio di processo elettrometallurgico è la produzione di alluminio (metallurgia dell’alluminio)

L’alluminio proveniente dalle celle elettrolitiche, detto alluminio di prima fusione, è il materiale di partenza per la produzione delle leghe di alluminio (leghe leggere).

CARATTERISTICHE DELL'ALLUMINIO
 
 

L'alluminio è un metallo bianco-argenteo che cristallizza nel sistema cubico a facce centrate (con dimensione reticolare l= 4.04 Å) ed è pertanto molto duttile e malleabile.

Nella Tavola Periodica degli elementi l'alluminio viene identificato con il simbolo "Al" ed ha le seguenti caratteristiche fondamentali.

PROPRIETA’ FISICHE
 
 

- numero atomico: 13;

- massa atomica: 26.9815 kg/kmol;

- struttura cristallina a 20°C: c.c.f., l= 4.04 Å;

- densità a 20°C: 2.70 kg/dm3;

- punto di fusione: 659.9°C;

- punto di ebollizione: 2270°C;

- calore specifico: 93.9 kJ/(kgK);

- calore latente di fusione: 394.5 KJ/kg.
 
 

Tabella proprietà fisiche e meccaniche di alcuni metalli.
 
 

Dall'esame della tabella risulta come le leghe di alluminio (es. Al-Si-2Mn-Mg) si distinguano dagli altri materiali per la loro peculiare combinazione di caratteristiche metallurgiche e tecnologiche.

PROPRIETA’ TECNOLOGICHE
 
 

- bassa densità e peso specifico ed e quindi leggero: a parità di volume pesa un terzo dell'acciaio. Questa è la caratteristica dell'alluminio che ne ha determinato, almeno inizialmente, la sua grande diffusione;

- non ha snervamento manifesto come gli acciai ad alta resistenza; il carico di snervamento è, pertanto definito come il carico applicato che produce una deformazione permanente dello 0.2%. In lega raggiunge carichi di snervamento caratteristici di alcuni acciai da costruzione (es. Fe280);

- è resistente alle sollecitazioni meccaniche: sempre in lega può anche superare i limiti di resistenza degli acciai da costruzione;

- presenta elevata plasticità e formabilità: l’alluminio, e le sue leghe in varia misura in funzione dei leganti introdotti, presenta notevoli caratteristiche di imbutibilità, duttilità, malleabilità. Esso cioè si presta in modo particolare a tutte le operazioni di lavorazione plastica sia a freddo che a caldo: i lingotti ottenuti in fonderia possono essere estrusi a barre, profilati, o laminati a caldo per ottenere lamiere o altre forme di grosso spessore. Gli estrusi possono poi essere trafilati a freddo fino ad ottenere le dimensioni desiderate. Così, pure, i laminati possono essere ulteriormente lavorati, ma a freddo, fino a raggiungere anche spessori di qualche millesimo di millimetro.

Altre operazioni di formatura, alle quali si presta l’alluminio senza difficoltà, sono:

a caldo, la fucinatura e lo stampaggio;

a freddo, l’imbutitura, l’estrusione per urto, l’imbutitura al tornio.

Da notare che la lavorazione all’utensile dell’alluminio non presenta difficoltà: debbono però essere impiegate velocità di taglio elevate, per cui sono necessarie macchine robuste.

- è resistente agli agenti atmosferici: non si corrode, solo alcune leghe presentano una modesta sensibilità agli agenti atmosferici. Ciò sembrerebbe in contrasto con le caratteristiche elettrochimiche dell'elemento; infatti la sua posizione nella Scala Elettrochimica degli Elementi, non è certamente delle più favorevoli, in quanto esso è uno dei metalli più elettronegativi (il suo potenziale di elettrodo rispetto all'idrogeno è di -1.66 V). L'alluminio ha, peraltro, una notevolissima affinità con l'ossigeno (tanto da permettere le reazioni cosiddette alluminotermie) e la formazione di una sottile pellicola di ossido ha luogo in ambiente ossidante anche a temperatura ambiente. Tale strato di ossido che può essere anche artificialmente esaltato tramite ossidazione anodica, assicura un buon comportamento nei confronti sia della corrosione atmosferica sia di parecchi acidi organici. Questa caratteristica lo rende particolarmente interessante per l'industria dell'imballaggio alimentare ed anche per esterni di edifici. Il fatto però che l'alluminio e le sue leghe siano resistenti agli agenti atmosferici non significa che siano esenti dalla corrosione atmosferica; in primo luogo tra le diverse famiglie di leghe vi sono enormi differenze; secondariamente è bene ricordare che nel caso si voglia mantenere nel tempo un inalterato aspetto estetico ed un'assoluta integrità strutturale è buona norma ricorrere ad opportuni trattamenti di superficie. E' comunque indubbio che le leghe di alluminio non presentano assolutamente quei fenomeni di disgregazione da agenti atmosferici tipici delle leghe ferrose. Più delicato è il discorso degli accoppiamenti eterogenei. Nel caso di costruzioni con parti di alluminio a contatto con elementi in acciaio od altri materiali non compatibili, occorre prendere provvedimenti in modo da evitare l'insorgere di corrosioni di tipo galvanico;

- grazie alla buona resistenza a molti aggressivi chimici (zolfo, idrogeno solforato, solfuri organici, acido nitrico concentrato, acidi organici, ammoniaca ecc.) l'alluminio ed alcune sue leghe sono di largo impiego nell'industria chimica, nella costruzione di apparecchiature e di serbatoi per la raccolta e trasporto di queste sostanze. In talune circostanze l'alluminio viene scelto, al posto di altri materiali, poiché anche nel caso in cui si possa verificare nel tempo della corrosione (ad esempio a contatto con alcali), i sali che si formano sono incolori e non alterano i liquidi o le sostanze a contatto; per questa ragione l'alluminio viene utilizzato nell'industria dell'acido acetico sintetico, dell'acetato di cellulosa e dei solventi organici;

- non forma sali tossici, quindi trova diffuso impiego per la produzione di utensili da cucina;

- possiede elevata riflessività per radiazioni nell'infrarosso, visibile ed ultravioletto che lo rende un materiale ideale per molti tipi di riflettori per apparati d’illuminazione o quant'altro (con curate finiture superficiali si può ottenere fino al 95% di riflessione della radiazione luminosa e fino al 98% di quella termica).

- è un buon conduttore elettrico: secondo solo al rame. Infatti la conducibilità elettrica dell'alluminio è di 62 unità IACS (International Annealed Copper Standard) e ciò a causa del suo basso peso specifico, porta ad un valore della conducibilità elettrica specifica (ossia rapportata al peso) doppia di quella del rame che, come è noto, è il miglior conduttore utilizzabile per impieghi tecnici. Ne segue che a parità di peso di un elemento conduttore, l’alluminio conduce più corrente del rame, mentre a parità di sezione conduttrice, il rame conduce meglio dell’alluminio viene utilizzato soprattutto nelle lunghe linee di trasporto dell’energia elettrica, mentre il rame viene utilizzato nei conduttori delle linee più corte. Nel recente passato, il confronto tra rame ed alluminio vedeva il netto predominio del primo, sostanzialmente per lo scarso sviluppo di una tecnologia elettrica adatta all’alluminio. Attualmente con l’introduzione di nuove leghe leggere ad elevata conducibilità elettrica e con migliorata resistenza meccanica e lavorabilità plastica, la scelta tra i due materiali conduttori è solo determinata dal prezzo dei due metalli; nei cavi nudi per trasporto e distribuzione di energia elettrica ad alto voltaggio prevale l’impiego di alluminio, mentre il rame rappresenta ancora la scelta preferenziale per cavetteria telefonica e domestica, fili per avvolgimenti e fili e cavi per cablaggi. Costituiscono, invece, aree di relativa sovrapposizione, quantitativamente variabile da un paese all’altro, i settori dei cavi isolati per trasporto e distribuzione di energia e dei cavi isolati per il trasporto industriale.

- è un buon conduttore termico: secondo solo al rame. Infatti la conducibilità termica dell'alluminio è circa il 57% di quella del rame. La capacità di condurre velocemente il calore lo rende ideale per batterie da cucina, per contenitori da riscaldare o raffreddare e per apparecchiature termocondizionanti.

- ha comportamento non ferromagnetico, importante specie per le applicazioni elettriche ed elettroniche;

La caratteristica tecnologica meno vantaggiosa dell’alluminio è la sua scarsa saldabilità legata alla sua affinità per l’ossigeno ed alle caratteristiche del suo ossido. La conseguenza più evidente di questo sta nel fatto che l’unione delle lamiere d’alluminio è tuttora eseguita preferenzialmente tramite chiodatura, anche se sono in atto studi sulle leghe Al-Mg-Si per migliorare la saldabilità.

Altro contropartita a tutti questi pregi è l'elevato costo di produzione: per realizzare i prodotti di prima trasformazione (billette, pani), il ciclo è complesso e richiede notevoli consumi energetici. Pertanto ad un primo approccio sembrerebbe che l'impiego di tali leghe sia antieconomico o comunque non competitivo.

Il principale elemento di valutazione nella scelta di un materiale per una data applicazione, è la ricerca della conformità ai requisiti tecnici richiesti al più basso costo complessivo. Naturalmente in funzione del campo di applicazione e della situazione di mercato, diversi fattori possono intervenire in maniera più o meno determinante nel complesso bilancio tra qualità-costi-affidabilità-disponibilità. Tra i più importanti ricordiamo:

- i costi diretti del materiale e del processo di fabbricazione;

- i costi indiretti connessi con le operazioni di manutenzione ed inabilità funzionale del componente, nonché i costi di ammortamento legati alla vita utile dello stesso;

- la disponibilità di prodotti semilavorati, di attrezzature per la lavorazione-trasformazione;

- la disponibilità di conoscenze ed infrastrutture di supporto in ambito territoriale.

Nell’esporre le caratteristiche tecnologiche dell’alluminio e delle sue leghe, si è fatto riferimento alla buona lavorabilità per deformazione plastica e successivamente alla buona colabilità di questi materiali. Ebbene tali caratteristiche sono talmente importanti, dal punto di vista industriale, da giustificare l’introduzione di un’apposita classificazione per le leghe d’alluminio.

LA GESTIONE DEI RIFIUTI DI IMBALLAGGIO
 
 

Negli ultimi decenni, il volume e la varietà della produzione di rifiuti sono stati accelerati dallo sviluppo economico e tecnologico, dal crescente livello dello standard di vita e dai conseguenti cambiamenti delle abitudini dei consumatori. Un numero sempre maggiore di Paesi ha raggiunto il limite delle possibilità offerte da una gestione tradizionale dei rifiuti e, conseguentemente, l'attenzione viene focalizzata sulla conservazione delle risorse, sul risparmio energetico e sulla minimizzazione dei volumi di rifiuti tramite la produzione di beni (esempio le automobili) ed imballaggi riciclabili (le lattine di alluminio, appunto).

Proprio negli imballaggi è stata individuata la possibile soluzione di questi problemi ricercando di volta in volta materiali che fossero in grado non solo di soddisfare la loro finalità principale che è quella di contenere beni consentendone lo spostamento nello spazio e la loro conservazione nel tempo, ma anche tutta una serie di finalità accessorie imposte dall'attuale sistema dei consumi tipo: la presentazione di prodotti, di riconoscimento immediato di una marca, di attrazione nei confronti dei consumatori e non ultima di informazione sui prodotti ivi contenuti.

Le problematiche dei materiali da imballaggio coinvolgono l'intera società, e quindi già in passato diversi Paesi hanno messo in atto misure volte a ridurre l'impatto dei prodotti da imballaggio usati sul flusso dei rifiuti, adottando specifici obiettivi di recupero e riciclaggio.

Per stabilire schemi legislativi validi per tutti i membri dell'Unione Europea e per armonizzare le misure specifiche di ciascun Paese, l'U.E. ha adottato una direttiva per tutti i materiali da imballaggio, a cui gli stati membri si sono dovuti adeguare nel 1996, con obiettivi da raggiungere entro il 30 giugno 2001 (l’Italia ha provveduto a ciò con il decreto Ronchi), cioè il recupero del 50-65% dell'imballaggio utilizzato ed il riciclaggio del 25-45%, con un minimo del 15% per ogni materiale da imballaggio. Agli stati membri è consentito fissare obiettivi maggiori, sempre che il riciclaggio del materiale da imballaggio raccolto abbia luogo secondo modalità conformi ed autorizzate.

L'Europa tuttavia si presenta con un'ampia varietà di culture e abitudini dei consumatori, diverse pratiche di gestione dei rifiuti e disponibilità locali per il riciclaggio, e differenti risorse finanziarie disponibili, per cui, ovviamente, l'attuazione delle direttive cambia a seconda del paese considerato. Analogamente variano le responsabilità assunte riguardo alla gestione dei rifiuti derivanti dai materiali da imballaggio, che differiscono enormemente a seconda dei Paesi.

I sistemi di recupero sono indirizzati:

- verso tutti i materiali da imballaggio, come in Germania;

- verso alcuni materiali selezionati, come per esempio verso i materiali tradizionalmente definiti "riciclabili", come quelli in alluminio rigido, i contenitori in vetro o in plastica, la carta ed il cartone, l’acciaio.

Sono poi disponibili sistemi di scambio e, in alcuni Paesi, combinazioni tra i vari sistemi. Inoltre in Paesi come la Svezia, la Norvegia e la Finlandia, sono attivi sistemi di deposito per contenitori di bevande, mentre un certo numero di altri Paesi effettua raccolte separate.

Altri Paesi ancora recuperano i materiali da imballaggio usati attraverso i rifiuti domestici, e li lavorano negli impianti di incenerimento.

Da rilevare come in alcuni Paesi i contenitori per bevande ricevono ulteriore attenzione: nonostante il sistema onnicomprensivo per tutti i materiali da imballaggio, la Germania impone una quota di riutilizzo del 72% nel campo delle bevande, e la Danimarca, grande esportatrice di birra in imballaggi a perdere, è l'unico Paese in Europa con un divieto totale per contenitori a perdere per "soft drink" e birra.

La responsabilità del recupero del materiale da imballaggio ed i relativi costi sono riconducibili:

- all’industria stessa, come in Germania, Austria, Svezia, Belgio, Regno Unito o Svizzera (Paese non aderente all’U.E.);

- alle autorità locali, come in Olanda e in Danimarca;

- oppure si tratta di una responsabilità condivisa tra le municipalità e l’industria, come in Italia, Spagna e Francia.

Per coprire i costi si applicano tasse sul prodotto imballato/pieno da immettere sul mercato, oppure sull’intera catena di imballaggio che ne deriva, a seconda della "responsabilità". Questa di solito viene condivisa con l’accordo tra i componenti della catena dell’imballaggio.

Per gestire tutte le mansioni relative al recupero ed alla conseguente valorizzazione degli imballaggi in generale e agli imballaggi di alluminio in particolare, nel tempo si sono create organizzazioni specifiche nei vari Paesi, per iniziare, promuovere, coordinare e monitorare tutte le attività soggette a responsabilità (In Italia per quanto riguarda la valorizzazione degli imballaggi in generale, è stato costituito il CO.NA.I., mentre per la valorizzazione degli imballaggi di alluminio è stato costituito il C.I.AL.)

L’IMBALLAGGIO DI ALLUMINIO
 
 

Sin dagli albori della civiltà, l'uomo ha sempre fatto uso di contenitori.

Anche se l'impiego dell'imballaggio è dovunque diffuso esistono ancora molti casi, in particolare nei Paesi del Terzo Mondo, in cui esso risulta insufficiente. In base a dati O.M.S., in media il 30% dei prodotti alimentari dei paesi in via di sviluppo si deteriora per mancanza di adeguati imballaggi!

La prassi del confezionamento risponde alle esigenze del mercato e cioè alle esigenze dei consumatori che richiedono una vasta possibilità di scelta e prodotti convenienti così come diversi sistemi e condizioni di distribuzione dei prodotti contenuti.

Garantendo la qualità del prodotto, l'imballaggio ne consente pure il trasporto, e quindi la distribuzione capillare in teoria in tutto il mondo con evidenti benefici sia per i produttori che per i consumatori. E' ancora l'imballaggio che rende, poi, possibile avere sul mercato per tutto l'arco dell'anno la maggior parte dei tipi di frutta e di ortaggi, sia che si tratti di prodotti locali o di importazione.

In seguito al miglioramento del tenore di vita dei consumatori ed al conseguente cambiamento dello stile di vita, è andato affermandosi l'uso sempre maggiore di cibi pronti, in scatola o surgelati, in una vastità di formati resa, appunto, possibile dalla disponibilità, di nuovo, degli imballaggi. Non è quindi eccessivo dire che l'industria dell'imballaggio ha contribuito a cambiare lo stile di vita dei consumatori.

Secondo Philip Kotler docente della Northwestern University e autore di "Marketing Management" l'imballaggio di un prodotto deve svolgere contemporaneamente quattro funzioni:

- una funzione di protezione, cioè contenere fisicamente il prodotto, determinandone la quantità e proteggendolo da impurità ed agenti esterni nel suo lungo tragitto dal luogo di produzione alla residenza del consumatore, e anche durante il consumo vero e proprio;

- una funzione di economia, in quanto il costo dell'imballaggio non deve incidere eccessivamente sul costo finale del prodotto;

- una funzione di comodità che richiede all'imballaggio di essere resistente, piacevole da vedere e toccare, leggero e facile da trasportare con la possibilità di un utilizzo immediato e razionale del prodotto ivi contenuto. Queste ultime funzioni sono, di solito, garantite dalla presenza di dosatori e di chiusure delle confezioni oltre che dalla disponibilità di numerosi formati per ogni singolo prodotto;

- una funzione di promozione del prodotto; l'imballaggio non deve solo comunicare in maniera precisa, semplice ed immediata che cosa esattamente contiene, permettendo di identificarlo e dando informazioni in termini di quantità, utilizzo, ingredienti, scadenze, ma deve svolgere pure delle più complesse funzioni simboliche;

A tali funzioni si è nel frattempo aggiunta anche quella relativa alla possibilità di un più facile accatastamento e movimentazione a livello di distribuzione finale; doti indispensabili per l'efficienza dell'attuale sistema di distribuzione dei prodotti di largo consumo.

Grazie alle sue caratteristiche intrinseche, l'alluminio è il partner ideale per la produzione di imballaggi: lattine per bevande, bombolette spray, scatolette, pentole e vaschette per alimenti, tubetti, capsule, blisters per medicinali, tappi, fogli sottili sono solo alcuni esempi di imballaggi in alluminio di uso quotidiano.

- è leggero, resistente agli urti: il suo alto rapporto resistenza/peso garantisce la massima protezione agli urti accidentali durante il trasporto aggiungendo un peso minimo a quello del prodotto imballato. Ciò riduce i costi di trasporto;

- fornisce una barriera impermeabile che consente la protezione di alimenti, bevande, prodotti farmaceutici e cosmetici;

- la sua buona malleabilità e lavorabilità, insieme alla possibilità di realizzare una vasta gamma di tipologie di spessori e di finiture lo rendono particolarmente adatto per i diversi tipi di impieghi, conferendo agli imballaggi un ottimo livello estetico prestandosi ad ogni tipo di personalizzazione;

- offre un'alta resistenza alla corrosione e risulta chimicamente neutro. Ne risulta un imballaggio inerte alla maggior parte delle sostanze, igienico, atossico e non contaminante;

- riduce gli sprechi di materiale; per ottenere gli stessi vantaggi a parità di applicazioni e funzioni, è necessario rispetto a materiali alternativi (quali vetro o acciaio), l'impiego di un minor quantitativo di materiale: gli spessori sono in continua riduzione (negli ultimi dieci anni sono stati già ridotti mediamente del 30%).

- l'alluminio è una materia prima praticamente inesauribile: si può ricavare sia dai grandi giacimenti di materia prima esistenti che dal suo riciclo che può essere infinito per dare vita ogni volta a nuovi prodotti (circa il 40% dell'alluminio attualmente circolante, infatti, proviene dal riciclo)

Ed è proprio quest'aspetto l'oggetto su cui si vuole focalizzare l'attenzione. Riciclare l'alluminio degli imballaggi offre una serie di vantaggi per l'ambiente e la collettività, già peraltro citati, ma che vale la pena ricordare e riassumere ossia:

- consente un risparmio fino al 90% dell'energia necessaria alla produzione di metallo partendo da materia prima;

- quando l'imballaggio (specie i fogli di alluminio o i poliaccoppiati) viene incenerito (valorizzato termicamente) l'alto potere calorifico dell'alluminio costituisce un valido contributo in termini di energia;

- riduce la quantità di rifiuti solidi urbani immessi nell'ambiente e permette il recupero di materia prima utile per realizzare nuovi prodotti, visto che l'alluminio ottenuto dal riciclo non differisce per nulla da quello ottenuto dal minerale poiché le caratteristiche fondamentali del metallo rimangono invariate;

- costituisce un importante attività per l'economia dei Paesi che lo realizzano; ad esempio l'Italia è il primo produttore europeo di alluminio riciclato ed occupa una posizione di assoluta eccellenza pure nel panorama mondiale.
 
 

LE LATTINE D’ALLUMINIO
 
 

L'evoluzione del contenitore per liquidi ha visto l'impiego di ogni nuovo prodotto o metallo reso disponibile dall'ingegno umano.
 
 

Dalle mani a coppa, al legno, alle terrecotte, al vetro, ai più svariati metalli fino alla banda stagnata ed infine all'alluminio il cammino è stato lungo! E' stato però quest'ultimo che ha permesso la realizzazione della lattina come oggi si presenta: il cilindro brillante e colorato dal design sempre più ricercato ed accattivante simbolo del nostro tempo, dell'avanzato stato dell'arte e della tecnologia; così semplice da essere un contenitore usa e getta ma allo stesso tempo frutto di un concentrato di esperienze e tecnologia davvero impressionante, essa è ormai entrata nella vita di tutti i giorni quasi come una fedele compagna!

La sua storia è recentissima ed inizia negli anni '30 quando i norvegesi, con l'intento di conservare il pescato stagionale, tentarono di preservare il pesce in contenitori di alluminio stampati. Ma fu la guerra a dare, come purtroppo di sovente accade, impulso allo sviluppo della lattina; infatti, in questo periodo la mancanza di banda stagnata (cioè acciaio a basso tenore di carbonio rivestito di stagno) costrinse gli svizzeri a sviluppare un contenitore in alluminio per contenere prodotti quali latte in polvere.

Nel 1948, sulla spinta delle generali richieste dei consumatori, la Alcan dedicò i propri laboratori inglesi allo studio dei problemi derivanti dagli imballaggi in alluminio.

La prima lattina in alluminio costituita in tre pezzi, prodotto dalla società Metal Box, era destinata al contenimento di birra ed era una "211 End" cioè aveva un coperchio (End) "corona" da 2 pollici e 11/16 (corrispondenti a 6.83 cm) di diametro.

La prima lattina in due pezzi, invece fu ottenuta in Svizzera dalla società Jakob Keller Az di Zurigo partendo da un disco di alluminio ricotto e destinata a contenere birra. Le lattine a due pezzi in alluminio sbarcarono negli Stati Uniti nel 1960 su brevetto della Reynolds Metals, ma la loro definitiva consacrazione sul mercato la ebbero nel 1962 quando l'americano Ernie Fraze inventò il sistema "Easy Open" letteralmente "apertura facilitata" consistente nella linguetta a strappo. La relativa lattina "Easy Open End" (lattina col tappo ad apertura facile) detta anche "Tear Top Tab" (lattina con linguetta a strappo) sostituì definitivamente la lattina in banda stagnata per bevande.

Nel 1978 l'aumentata sensibilità alle problematiche ambientali favorirono l'introduzione e lo sviluppo negli Stati Uniti delle prime lattine "Stay On Tab" in cui la linguetta non si asporta più.

Nel 1984 con l'introduzione della lattina "206 End" si prosegue sulla strada del risparmio energetico: riducendo il diametro del coperchio si persegue il duplice scopo di utilizzare meno alluminio e di ridurre il peso della lattina con evidenti vantaggi anche sul loro trasporto.

Nel 1990 la lattina "Stay On Tab", a dodici anni di distanza, approda anche in Europa che, però, si rifà imponendo la "202 End" con un ulteriore diminuzione del diametro del coperchio e conseguentemente del peso della lattina (1995).

Da tutto ciò si può intuire come nonostante le lattine di alluminio per bevande siano tra i manufatti più comuni, non solo racchiudono, in sé una lunga storia fatta di piccole ma ingegnose innovazioni, frutto di una progettazione e di una tecnologia di realizzazione sempre più complesse. Al proposito basta solo ricordare che ciascuna lattina è costituita da tre diverse leghe:

il corpo è costituito da una lega della serie 3xxx al Cu e Mn con aggiunte di Mg altamente formabile (3004, 3104);

il coperchio è costituito da una forte lega al Mg della serie 5xxx (5182);

mentre il sistema di apertura è costituito sempre da una lega al Mg in cui la formabilità e forza sono equamente esaltate (5042).
 
 

Nella seguente tabella sono riportate le composizioni chimiche delle leghe utilizzate nelle lattine:

Tecnologicamente la lattina "senza saldature" ("seamless can") è prodotta da fogli tramite imbutitura seguita da disegno e metallizzazione delle pareti laterali.
 
 

Fig. 1: Formatura delle pareti della lattina tramite stiratura.
 
 

Estrema formabilità accompagnata da minima anisotropia e buona resistenza meccanica sono le caratteristiche richieste per la formatura delle sottili pareti laterali delle lattine tramite "stiratura" dove, partendo da fogli di spessore di 0.3 mm, si passa a spessori di 0.10 mm, attraverso tre punzoni (o anelli) di stiratura ("punch die") a diametro via via crescente, come mostrato nella fig. 1.

Le migliori leghe in grado di soddisfare queste caratteristiche sono quelle basate sulle serie 3xxx e 5xxx non trattate termicamente. Inizialmente furono usate la 3003 e la 5086, ma problemi proprio in fase di formatura portarono alla modifica delle composizioni delle stesse: la 3003 (Al-1,2Mn) fu rinforzata aggiungendo 1 % di magnesio (3004), che è ora la lega comunemente usata per il corpo della lattina. Per la parte superiore della stessa la lega generalmente utilizzata è la 5182 (Al-4,5Mg-0,4Mn).

C’è la tendenza a ridurre il livello degli elementi in lega che formano i composti intermetallici e le inclusioni nei fogli sottili e nelle lattine, tramite l’operazione di filtraggio dell’alluminio fuso durante colata. Questo passo è di fondamentale importanza al fine di minimizzare la formazione delle cosiddette "punte di spillo" (ossia cavità dovute alle inclusioni, solitamente più dure della matrice, che in fase di formatura possono staccarsi dalla matrice lasciando delle cavità che macroscopicamente si presentano come "punte di spillo" o "Pinholing") o, addirittura, di lacerazioni durante la produzione dei fogli o delle lattine.

Le lattine di alluminio per bevande devono la loro fortuna alle inimitabili e molteplici proprietà del materiale base che le costituisce che permette loro di garantire ovunque una qualità costante del prodotto contenuto, a tutto vantaggio di chi le usa. Infatti sono fisiologicamente innocua, cioè non alterano il gusto della bevanda in esse contenuta sia gassata o meno, sono infrangibili e resistenti alla corrosione, leggere, maneggevoli, pratiche, impenetrabili alla luce ed impermeabili all’ossigeno, all’umidità ed ai microrganismi. Inoltre si possono raffreddare senza un eccessivo consumo energetico e costa sempre di meno trasportarle, vista la continua e progressiva riduzione di peso che i progressi tecnologici permettono di realizzare. Ma soprattutto e un contenitore riciclabile.

Ciò spiega l’enorme crescita dell’uso delle lattine in alluminio. In Italia, ad esempio, si è passati dalle 5 milioni di lattine per bevande furono prodotte nel 1986 a 477 milioni nel 1995 fino a quasi 1,9 miliardi prodotte nel 1998 consumando quasi 25.000 mila tonnellate di alluminio, di cui il 42% proveniente dal riciclaggio.

IL PUNTO SUL RICICLAGGIO DELLE LATTINE D’ALLUMINIO
 
 

Molto tempo prima che venissero adottate misure legislative, l’industria dell’alluminio aveva stabilito e promosso i criteri alla base del concetto di riciclaggio per le lattine di alluminio e, in alcuni paesi del foglio sottile di alluminio.

Nel 1995, in Europa, il 21% di tutte le lattine per bevande in alluminio consumate sono state riciclate con successo, ed è stata recuperata un’elevata percentuale di altri materiali da imballaggi di alluminio.
 
 

In Italia il Consorzio Imballaggi Alluminio ha l’obiettivo di raggiungere entro l’anno 2002 il recupero del 51% degli imballaggi in alluminio immessi al consumo sul mercato nazionale.

Oggi l’Europa possiede una capacità di circa 120.000 t. per quanto riguarda il riciclaggio delle lattine in alluminio e per il loro riutilizzo nella produzione di nuove lattine. La sola Alcan ha uno dei più grandi impianti di lattine usate a Warrington, in Inghilterra, che ha una capacità annuale di 75.000 t.

Durante gli ultimi anni, l’uso dell’alluminio nell’industria dell’imballaggio, specie per le bevande, è aumentato esponenzialmente tanto da superare altri materiali tradizionali quali vetro, acciaio, legno e ora, in generale, quello dell’imballaggio dell’alluminio è il più grande mercato per il metallo in molti Paesi, compresi gli Stati Uniti.

Questa situazione deriva principalmente dal fatto che l’alluminio per tutte le caratteristiche precedentemente citate è un materiale "attraente" per l’imballaggio di cibi e bevande. Inoltre le leghe più semplici (come quelle utilizzate appunto nelle lattine o negli involucri per i cibi) possono essere facilmente riciclate. Ma il vantaggio più grande lo si ha dal punto di vista ambientale grazie alla completa riciclabilità delle leghe utilizzate per gli imballaggi. Gli articoli maggiormente prodotti sono lattine e fogli.

UN’UNITA’ DI RICICLAGGIO SU SCALA RIDOTTA DI LATTINE PER BEVANDE USATE
 
 

Il riciclaggio delle lattine per bevande usate, che per brevità indicheremo con l'acronimo inglese UBC che sta per "Used Beverage Cans", negli ultimi anni si è dimostrata essere un'impresa di successo per almeno tre ragioni:

1) una percentuale che oscilla tra il 60 ed il 70% delle lattine d'alluminio prodotte attualmente sono riciclate: ciò significa che ogni anno, stando ad una prima stima di circa 240 miliardi di lattine prodotte nel mondo, la materia prima secondaria disponibile ammonta, potenzialmente, ad oltre 1 milione e mezzo di tonnellate!

2) il riciclaggio dell'alluminio, come già ricordato, necessita solo di un'aliquota (5-10%) di energia notevolmente inferiore a quella richiesta per ottenere alluminio primario da minerale;

3) il prezzo di mercato per le lattine usate varia tra i $500¸ $600 (corrispondenti ad 1 milione¸ 1,2 milioni di lire) per tonnellata con un costo di processo medio di soli $143,41 (circa 300.000 lire) per tonnellata, rende la raccolta molto conveniente e la successiva trasformazione relativamente poco costosa.

Il riciclaggio delle lattine per bevande usate, è cresciuto rapidamente a causa dell'aumento del consumo di lattine di alluminio e della percentuale di raccolta differenziata.

Normalmente il processo di riciclaggio delle lattine d'alluminio ha luogo su larga scala, cioè in impianti di grandi dimensioni che trattano dai 10 ai 20 milioni di libbre (corrispondenti a circa 4500¸ 9000 tonnellate) di UBC al mese.

Si tratterà di seguito lo studio del processo di riciclaggio delle lattine d'alluminio su scala ridotta, ossia in impianto di piccole dimensioni, realizzato dal "College of Engineering Temple University" di Filadelfia (USA) ,che lavora fino a 250.000 libbre (corrispondenti a circa un centinaio di Le unità

tonnellate) di UBC al mese.

di riciclaggio su scala ridotta sembrano essere ugualmente vantaggiose, rispetto ai grandi impianti, grazie a diversi fattori tra i quali, i più importanti sono:

- i costi d'investimento più contenuti;

- relativamente ridotti costi di trasporto;

- migliore flessibilità alle variazioni di carico entro la capacità massima;

- maggiore sensibilità ai miglioramenti tecnologici;

- fornisce maggiori opportunità di impiego;

- alta resa di processo, che si attesta attorno al 90%;

- alta efficienza energetica.

In questo studio si è provveduto a progettare, costruire e collaudare un'unità di questo tipo.

Un tipico ciclo di riciclaggio di lattine d'alluminio usate comprende molte fasi.
 
 

Nella prima le lattine devono essere raccolte, vagliate e pressate in balle per facilitarne il trasporto da un luogo all'altro;

Nella seconda fase le balle sono inviate all'impianto di riciclaggio dove sono sballate, separate da eventuali parti di materiale magnetico (ferroso) e da materiale diverso dall’alluminio (tipo il vetro), e vengono macinate in minuti frammenti;

Nella terza fase tali frammenti sono aggiunti in piccole quantità nel processo di fusione.

Secondo il tipo di processo e delle attrezzature a disposizione si ottengono differenti tipi di lingotti che sono utilizzati per ottenere nuove lattine, ma anche parti di automobili e apparecchiature varie.

ANALISI DELL'UNITA' DI RICICLAGGIO.
 
 

fig. 10.1: Esempio di unità di riciclaggio.
 
 

L'unità di riciclaggio su piccola scala può essere schematicamente rappresentata come segue:

Essa consta di otto componenti con relativi processi associati:
 
 

1) Trituratore a coltelli - frantumazione;

2) Forno di delaccaggio - delaccaggio;

3) Pressa idraulica- pressatura in dischetti;

4) Forno di preriscaldo - preriscaldamento;

5) Forno fusorio - fusione;

6) Siviera - colata;

7) Camera filtri - filtraggio gas di scarico;

8) Sistema di recupero calore - recupero calore.
 
 

FRANTUMAZIONE
 
 

Le balle di lattine provenienti dai centri di raccolta differenziata vengono sballate ed inviate in un trituratore per la frantumazione. La funzione di questa operazione è di seguito illustrata. Le lattine usate presentano una laccatura sull'esterno per permettere l'identificazione del prodotto in esse contenuto e sull'interno per proteggere il prodotto. Molte volte è applicata pure una verniciatura esterna per proteggere la laccatura da graffi o sostanze corrosive.

Si è constatato sperimentalmente che rimuovendo la laccatura e l'eventuale verniciatura prima della fusione la resa della stessa aumenta considerevolmente e contemporaneamente si riducono le emissioni di fumi visibili ed inquinanti.

Poiché laccatura e verniciatura sono rimosse tramite pirolisi per massimizzare la delaccatura è necessario esporre sia la superficie interna che esterna della lattina alla fiamma. Il modo più semplice per far ciò è, dunque, quello di frantumare le lattine in frammenti compatibilmente piccoli (1¸ 3 inch corrispondenti a 2.54¸ 7.62 cm) in modo da massimizzare la superficie esposta alla fiamma.

Il trituratore utilizzato nel caso in studio trattasi di un trituratore commerciale a lame rotanti Brigg & Stratton da 5 cavalli (1HP@ 3.7kW).

DELACCAGGIO (DELACQUERING)
 
 

Fig 10.2.1: esempio di forno di delaccaggio
 
 

Questa fase prevede la pirolisi e la combustione per decomporre la laccatura di rivestimento presente sulla superficie delle lattine. Solitamente, infatti, alla lattina sono applicati fino a 4-5 rivestimenti, (compreso il sottile strato di vernice), il cui tipo e spessore dipende dal prodotto e dal fabbricante.

I parametri critici per questa operazione sono:

a) la temperatura di pirolisi. Il forno è predisposto per raggiungere la temperatura di processo che si attesta tra i 900-1000°F (cioè 482-537°C). A queste temperature la laccatura di rivestimento si degrada rilasciando composti organici sotto forma di vapori (V.O.C. o Volatile Organic Compounds). Risultati sperimentali hanno dimostrato che oltre i 1000°F (537°C) i frammenti di lattine delaccati pesano di più. Questo aumento di peso è da imputarsi alla combustione della sostanza organica presente sui frammenti che provoca la deposizione di carbonio e dell'ossigeno sulla superficie degli stessi. Ecco, dunque, la necessità di controllare la temperature di pirolisi, affinché rimanga al di sotto dei 1000°F (537°C).

b) il livello di ossigeno nel forno. L'ossigeno è necessario per fornire un'atmosfera ossidante durante pirolisi al fine di rimuovere i residui carboniosi del rivestimento dei frammenti delle lattine e per l'incenerimento dei VOC nel post-bruciatore (al proposito vedere il processo di fusione).

E' necessario controllare il livello di ossigeno presente nel forno al fine di evitare la combustione, che avviene se è presente il 12% di ossigeno in volume. Sotto l'8% il processo di delaccaggio avviene senza sviluppo di fiamma, mentre se tale percentuale è troppo bassa, all'incirca sotto il 4%, non avviene. Pertanto segue che il livello di ossigeno ottimale per il processo di delaccaggio in forno è 6.1%±1%;

c) tempo di permanenza dei frammenti nel forno. Quest'ultimo parametro critico è funzione degli altri due (e cioè della temperatura di processo e dell'atmosfera nel forno). In generale si può affermare che il tempo di permanenza dei frammenti in forno deve essere minimizzato al fine di evitare eccessiva ossidazione degli stessi.

Fig. 10.2.1: Schema del forno di delaccaggio.
 
 

In conclusione, risultati sperimentali hanno dimostrato che per tempi di permanenza in forno dell'ordine dei 1015 minuti ad una temperature compresa tra 900-1000°F in un atmosfera contenente una percentuale del 56% in volume di ossigeno non solo si permette di prevenire la combustione e l'ossidazione dei frammenti delle lattine, ma anche di ottenere le migliori rese in fase di fusione degli stessi.

Il forno di delaccaggio (delacquering o decoating kiln) utilizzato nell'unità è stato realizzato con un tubo di acciaio legato avente le seguenti dimensioni:

- lunghezza: 8 piedi e 6 pollici (circa 2,6 metri);

- diametro: 20 pollici (circa 51 cm);

- spessore: 3/8 di pollice (circa 9.5 mm).

Il tubo è stato montato in posizione orizzontale su 4 robuste rotelle che gli permettono di ruotare attorno al suo asse. Pertanto il forno di delaccaggio è del tipo "rotante". Attorno a tale struttura è stata realizzata un'intelaiatura, sempre d'acciaio, a forma di "C", che è, a sua volta, montata su tre pilastri telescopici in acciaio a forma di "H", che permettono all'insieme di variare rigidamente l'inclinazione a diversi angoli rispetto all’orizzontale. Tutt'attorno alla parete interna del tubo che costituisce il forno, sino fissate 8 solide lastre metalliche egualmente distanziate che durante il funzionamento, ruotando solidalmente con il tubo costituiscono una sorta di mescolatore dei frantumi delle lattine. Ciò consente di massimizzare l'esposizione delle superfici dei frammenti al calore del fronte di fiamma e di rendere più efficiente il processo di delaccaggio.

Il moto rotatorio del tubo è assicurato come si diceva dalle 4 robuste rotelle che sono collegate ad un differenziale da 24 pollici (circa 61 cm) di diametro, a sua volta collegato con una coppia conica all'albero di trasmissione di un motore che nel nostro caso è un Daytona 0.5 cavalli (0.37 kW) a velocità variabile per rispondere alle variazioni di velocità di rotazione del forno.

Il sistema di trasmissione del moto è stato appositamente sovradimensionato per far si che il calore non disperso dal mantello lo danneggi.

Il bruciatore scelto per il forno è un Hauck modello AIG 230A a propano con una capacità di 5 MBtu/h (corrispondenti a circa 1,5 MW).

Il forno alle estremità è dotato di due vani muniti di accesso ed isolati termicamente. Il bruciatore è stato montato nella parte bassa dell'estremità detta "di uscita" opposta a quella "d'ingresso" che, invece, ospita la tramoggia di alimentazione attraverso cui i frammenti delle lattine da trattare entrano nel forno. In questo modo il calore è diretto in contro corrente rispetto al flusso dei rottami.

Vicino alla sede in cui è posto il bruciatore c'è pure uno spioncino per controllare la fiamma.

La tramoggia è in lamiera zincata (o acciaio galvanizzato) ed è posta nella parte superiore dell'estremità d'ingresso.

Entrambe le estremità sono dotate di condotti che convogliano i gas di scarico:

- all'estremità di uscita c'è il condotto d'ingresso che convoglia i gas di scarico della fusione;

- all'estremità di ingresso c'è, invece, il condotto d'uscita dei gas di scarico del forno destinati al sistema di recupero calore.

- All'estremità d'uscita in basso, c'è l'uscita frammenti delaccati che si raccolgono in un cassone che ha una capacità massima di 30 libbre (circa 13.6 kg).
 
 

All'estremità d'ingresso è ricavato pure un accesso d'ispezione per la manutenzione.

COMPATTAZIONE
 
 

I frammenti delaccati vengono poi compattati in dischetti ("pucks") di 4 pollici di diametro (circa 10 cm) ed aventi una massa di circa 2 libbre (circa 0.9 kg), ottenuti ponendo i frammenti delaccati sotto un cilindro di una pressa idraulica che li pressa con una forza di 25.000 libbre per pollice quadrato (circa 176 MPa).

Questa operazione permette di aumentare l'efficienza di fusione. Vediamo perché. Quando si carica il forno di fusione con frammenti sfusi, questi galleggiano nel fuso di sali di fondente finché non sono fisicamente immersi. Ma durante questo tempo un'alta percentuale di alluminio va persa a causa dell'ossidazione in quanto i frammenti non sono completamente immersi nel bagno protettivo di sali di fondente.

Dunque per evitare tale problema, i frammenti vengono, appunto, compattati in questi piccoli dischetti che risultano essere utili in quanto s’immergono più facilmente nel bagno di sali fondenti rispetto ai frammenti sfusi grazie al fatto che la compattazione ne aumenta la densità assoluta (detta anche massa specifica definita come il rapporto tra la massa di un corpo ed il suo volume).

PRERISCALDAMENTO
 
 

Una volta formati, i dischetti di frammenti di lattine non vengono inviati direttamente al forno di fusione; prima passano per il forno di preriscaldamento che porta la loro temperatura da quella ambiente a 600°F (cioè 315°C), grazie ai gas di scarico provenienti dal forno di delaccaggio.

L'operazione di preriscaldamento diminuendo il differenziale di temperatura tra il fuso e i dischetti, riduce la quantità di combustibile richiesta poi in fase di fusione. Inoltre aumenta la sicurezza di processo allontanando ogni miscela organica residua dai dischi prima della fusione.

Il forno di preriscaldamento è stato costruito utilizzando un bidone della spazzatura in acciaio galvanizzato (lamiera zincata), ponendolo su un fianco e connettendolo, tramite apposite aperture ricavate sullo stesso, al sistema di ricircolazione dei gas di scarico. A tal proposito l'ingresso convoglia i gas di scarico del processo di delaccaggio mentre l'uscita scarica verso il forno di fusione.

Una grata elettrosaldata dello stesso materiale posta all'interno permette l'infornamento dei pezzi.

FUSIONE
 
 

Fig. 10.5.1: Forno di fusione.
 
 

Per fondere i dischi di frammenti di lattine viene utilizzato un forno con crogiolo modello Number 40HW Starrbide, avente una capacità massima di 48,6 libbre (cioè circa 22 kg) di alluminio fuso.

Prima della fusione e del delaccaggio si provvede a porre il crogiolo, contenente una determinata quantità di sali fondenti, nel forno.

Durante il processo di delaccaggio i gas di scarico di questo vanno a preriscaldare il forno ad una temperatura attorno ai 500°F (cioè circa 260°C). A questo punto entra in funzione il bruciatore del forno di fusione e porta la temperatura ai 1120°F (circa 604°C) a cui i sali fondenti fondono. Ora si possono introdurre i dischetti preriscaldati nel bagno di sali fusi.

La quantità di dischetti immessa nel crogiolo deve essere tale per cui il rapporto in peso tra questi ed i sali fondenti deve essere di 8 a 1, in quanto tale rapporto è quello che, sperimentalmente, ha fornito la miglior resa di alluminio.

Dopo l’aggiunta la temperatura continua a salire finché non si raggiungono i 1220°F (circa 660°C), dopodiché questa è mantenuta il più possibile costante utilizzando una termocoppia digitale.

Il forno di fusione ha la forma di una betoniera per il cemento, ed è rivestita internamente di mattoni refrattari che sono assicurati alla camicia del forno grazie ad una malta refrattaria resistente al fuoco ed alle alte temperature.

Sulla suola del forno è poi realizzato un piedistallo anch’esso di mattoni refrattari sul quale poggia il crogiolo. Su un lato, verso il basso è presente un’apertura per il bruciatore. Questa soluzione permette alla fiamma di lambire tangenzialmente il crogiolo senza investirlo direttamente mentre "spiraleggia" verso l’alto evitando, pertanto, i cosiddetti punti caldi (o "hot spot") sul crogiolo (tipici, appunto, di una fiamma che lo investe direttamente) che, invece, servono in tutta la parte bassa dello stesso.

I mattoni refrattari trattengono sufficientemente bene il calore nel forno tanto che è possibile utilizzare come bruciatore anche per la fusione lo stesso utilizzato nella fase di delaccaggio che è un bruciatore di modesta potenza (Hauck modello AIG 230A a propano con una capacità di 5 MBtu/h, corrispondenti a circa 1,5 MW).

Poiché il forno è incorporato nel sistema di recupero calore, esso è provvisto delle apposite aperture per le condutture di convogliamento fumi. In particolare, la conduttura in ingresso porta i fumi del processo di delaccaggio che servono a riscaldare il crogiolo con il fondente prima della fusione che, invece, è realizzata con il calore sviluppato dal bruciatore. La conduttura in uscita evacua i fumi del forno verso la camera filtri per la rimozione del particolato.

Un coperchio di acciaio galvanizzato rivestito anch’esso di mattoni refrattari è posto a chiusura del forno. Esso, essendo isolato con FiberFraxÒ, riduce le infiltrazioni di aria e quindi anche di ossigeno (che potrebbe produrre eccessiva ossidazione del fuso e conseguente perdita di metallo), nonché le dispersioni di calore aumentando l’efficienza di fusione.

Il fondente utilizzato in questo sistema, costituito da una miscela al 50% in peso di cloruro di sodio (NaCl) e al 50% di criolite (KAlF4), serve per tre scopi:

1) per proteggere dall'ossidazione;

2) per degasare;

3) per demagnesizzare;

l'alluminio fuso.

Sono stati i risultati sperimentali ha determinare proprio questa proporzione tra NaCl e KAlF₄: questa fonde prima di ogni altra.

Utilizzando un fondente con temperatura di fusione più bassa di quella dell'alluminio, il forno non necessita di essere riscaldato oltre questa temperatura (cioè oltre 1220°F che corrispondono a circa 660°C). Ciò, tra l'altro, oltre a ridurre il consumo di combustibile, minimizza pure la solubilità dei gas nel fuso.

Poiché le leghe utilizzate per le lattine d'alluminio sono normalmente tre (la 3004 per il corpo, la 5182 per il coperchio e la 5042 per la linguetta), ciò che esce dalla fusione, ovviamente, sarà una combinazione delle tre, commercialmente, inutilizzabile.

La maggior parte delle fonderie utilizzano il rottame di lattine integrandolo alle loro colate in quantità tale da non variare, però, la composizione della lega desiderata. Poiché questo sistema (oggetto dello studio) fonde, invece, solo lattine usate, se si vuole ottenere una lega standard commercialmente apprezzabile è necessario aggiungere quantità ben precise di lega madre.

La lega madre include elementi tipo Cu, Si, Sr in funzione di quale tipo di lega si vuole ottenere.

Inoltre poiché le lattine hanno un alto contenuto di Mg che infragilisce la colata, l'alligazione e la demagnesizzazione attraverso il fondente, diventano operazioni indispensabili per produrre una fusione funzionale ed efficiente.

COLATA
 
 

Esistono molti e differenti processi di colata per l'alluminio. Attingendo da letteratura e riviste specializzate è stata scelta la colata in sabbia verde che offre i migliori vantaggi. Infatti il basso costo delle materie prime e la grande versatilità sono qualità essenziali di una piccola fonderia a cielo aperto.

Prima della colata è necessario predisporre la forma in cui verrà colato il fuso ottenuta da una miscela di tre qualità di terre da fonderia (80, 90, 100), bentonite argilla impastata con acqua e circa un 8%, in massa, di polvere di carbone. Una volta creata la forma dall’impasto, questa si fa essiccare. A questo punto la forma (o le forme) è pronta per ricevere la colata e allora sono poste vicino al forno di fusione.

Quando è pronta la colata, le scorie sono rimosse con uno schiumatore ("skimmer") e viene utilizzata una siviera per riempire le forme. Una volta che il fuso si è raffreddato, per estrarre i getti o i lingotti dalle forme è sufficiente romperle. I cocci delle forme sono macinati e reimpastati per fare altre: in una parola sono anch'essi riciclati.

CAMERA FILTRI
 
 

Prima che i gas di scarico escano dal sistema, essi sono filtrati, tramite una camera filtri, per rimuoverne il particolato carbonioso. I filtri sono in Torit® e trattano circa 1000 c.f.m.

La camera filtri è collegata al sistema di recupero del calore.

Il flusso dell'aria è controllato da una valvola di sfiato.

La temperatura dei fumi nella camera filtri è attentamente e costantemente monitorata per evitare che questa superi i 100°F (circa 38°C) in quanto i filtri sono di cotone e quindi non sopportano le alte temperature.

SISTEMA DI RECUPERO CALORE
 
 

Il sistema di recupero del calore serve per incrementare l'efficienza energetica dell'unità. Questo circuito include il forno di delaccaggio, il forno di preriscaldo e quello di fusione.

Quando il forno di delaccaggio è in funzione i fumi caldi sono inviati al forno di preriscaldo e di fusione tramite un compressore. Il forno di fusione in questo contesto funziona come un post-bruciatore che distrugge i composti organici volatili prodotti in fase di delaccaggio. Parte dei gas di scarico del forno fusorio sono diretti alla camera filtri mentre il resto ritorna al forno di delaccaggio, sempre tramite compressore.

Tra i forni è sistemato un by-pass che svolge due funzioni:

- evacuare i gas di scarico dal forno fusorio quando la colata è pronta o quando l'operatore effettua l'introduzione delle cariche di dischetti di UBC nel crogiolo. In questi due casi la valvola di sfiato a farfalla ("butterfly damper"), posta appena prima dell'ingresso del forno, viene chiusa mentre quella posta sull'ingresso di by-pass viene aperta;

- bilanciare i flussi. In questo caso il by-pass e le rispettive valvole provvedono a regolare la velocità di flusso dei fumi attraverso i vari componenti.

Da notare che i condotti ed i compressori sono stati dimensionati utilizzando le indicazioni della "Sheet Metal and Air Conditioning National Association" (S.M.A.C.N.A.).

COSTI
 
 

Nella progettazione dell'unità di riciclaggio uno degli obiettivi era quello di tenere i costi di avviamento e quelli di gestione più bassi possibile.

I costi di avviamento dell'intera unità di riciclaggio sono stati circa $ 3.500 (circa £ 7.300.000) e sono riconducibili al solo equipaggiamento. Infatti non è stato incluso il costo della manodopera in quanto l'unità è stata costruita dagli studenti della Temple University. Tuttavia, l'ammontare di tale costo, secondo una stima fatta da un imprenditore che costruisce forni di delaccaggio, è di oltre $ 20.000 (oltre £ 42.000.000). Con il lavoro degli studenti l'intera unità è stata costruita con una cifra appena superiore ai $ 2.000 (circa £ 4.200.000): un bel risparmio!

Per quanto riguarda i costi di gestione nei $ 1.500 spesi, di nuovo, non sono compresi i costi del lavoro.

Il forno di delaccaggio consuma 15 libbre/h (6,8 kg/h) di propano. Per l'intero processo si stimano siano necessari circa 100 libbre/h (45,4 kg/h) di propano. Basandosi sul costo di quest'ultimo, il costo di gestione del forno di delaccaggio è approssimativamente di $ 0,06 per libbra (circa £ 278 al kg) di lattina riciclate.

Per il forno di fusione sono necessarie circa 3,25 libbre (circa 1,5 kg) di propano per fondere 8,32 libbre (circa 3,8 kg) di lattine. Pertanto il costo del combustibile si aggira attorno a $ 0,16 per libbra di lattine (circa £ 740 al kg).

Sommando questi due costi, il costo di processo è di $ 0,22 per libbra di lattine riciclate (£ 1018 al kg).

Comparando questi costi a quelli industriali standard, ebbene questi ultimi risultano essere più bassi con un costo di processo pari a $ 0,08 per libbra di lattine riciclate (£ 370 al kg). Tuttavia questo costo industriale standard è relativo ad impianti di media-grande dimensione e quindi il paragone non è molto corretto!

RISULTATI
 
 

Di seguito sono riportati i risultati più importanti riguardo lo studio dell’unità di riciclaggio delle lattine usate su scala ridotta.

DELACCAGGIO
 
 

Il sistema di delaccaggio, come abbiamo già constatato, ha diversi importanti fattori che ne influenzano la prestazione. Questi fattori sono: il tempo di permanenza, la temperatura ed il livello di ossigeno.

Il tempo di permanenza è controllato da due variabili di progetto:

- la velocità del motore, che aziona il sistema di mescolamento dei frammenti;

- l'inclinazione del forno.

La temperatura è controllata dal bruciatore e dal tipo di gas combustibile del sistema.

Il livello di ossigeno, infine, varia in relazione a come è sigillato il forno.

Tramite una serie di prove sperimentali, il tempo di permanenza è stato ottimizzato a circa 16 minuti. Questo significa che i rottami di UBC rimangono all'interno del forno per un totale di 16 minuti durante i quali sono esposti al calore del bruciatore.

Le condizioni che permettono di raggiungere questo parametro ottimale sono stati: una velocità del motore di 2.86 r.p.m. ed un'inclinazione del forno pari a 3°. Il livello di ossigeno misurato risulta essere di 6,1%1% e sono sinteticamente raccolte in tabella I.
 
 

Tabella I: risultati di ottimizzazione del forno di delaccaggio.

FUSIONE E COLATA
 
 

Il forno di fusione dell'unità di riciclaggio su scala ridotta delle UBC produce alte rese per lingotti o getti, come risulta evidenziato in tabella II. Queste rese sono confrontabili con molti altri processi industriali su larga scala. La resa media di fusione è del 90%.
 
 

La tabella III mostra, invece, i risultati di una fusione dove la lega madre è stata aggiunta allo scopo di ottenere una lega commercialmente valida.

In particolare Si e Cu sono stati aggiunti al fuso per produrre la A319. Una volta ottenuta, la colata è stata inviata al laboratorio di analisi "Henry J. Yeager Laboratories".

L'analisi mostra che la lega prodotta dall'unità di riciclaggio risponde alle specifiche della lega A319. Ciò dimostra la capacità del sistema di ottenere leghe diverse da quelle che compongono le lattine.
 
 

Per quanto riguarda l'efficienza energetica, il rendimento termico dei forni metallurgici varia tra il 36%. Ebbene il forno di fusione realizzato per l'unità di riciclaggio ha un rendimento termico, ricavato su base sperimentale, del 4,05% che è paragonabile a quello dei grandi forni fusori industriali.

Uno studio è stato, poi, condotto per determinare la composizione dei fumi emessi dal processo di fusione. Sono stati utilizzati, allo scopo, tre appositi campionatori d'aria:

- il primo è stato applicato sulla tuta ignifuga dell'operatore addetto al forno;

- il secondo è stato applicato all'assistente dell'operatore di forno che stava ad almeno 10 piedi (circa 3 m);

- il terzo è stato posto all'incirca a 50 piedi (circa 15 m) dal forno per determinare l'area di emissione.

I campionatori sono stati attivi per tutto il tempo di processo. Successivamente tutti i filtri sono stati smontati e spediti al laboratorio "MDS" per l'analisi.

I risultati sono presentati nella seguente tabella IV:
 
 

Tabella IV: Analisi delle emissioni del forno di fusione.

CONCLUSIONI
 
 

I risultati ottenuti da questa ricerca sul riciclaggio delle lattine di alluminio tramite un'unità su scala ridotta, indicano che il processo è tecnologicamente fattibile.

Ma quello che è più importante sottolineare è che il processo può essere ottimizzato per renderlo economicamente, ulteriormente vantaggioso in quanto lo è già dal punto di vista costruttivo. L'unità di riciclaggio su scala ridotta, infatti, non richiede elevati capitali per l'avviamento.

E', pure, flessibile ai cambiamenti di processo ed all'innovazione tecnologica essendo costituita da pochi e semplici componenti, facilmente ammortizzabili e dismissibili.

La fusione, inoltre, può portare a leghe standard di buona qualità ed elevato valore commerciale, che costituisce l'aspetto più qualificante dal punto di vista ingegneristico.

L'unità si presta ad ulteriori miglioramenti tramite cui sarà possibile ridurre il costo totale di processo per libbra di UBC trattata al di sotto degli attuali $ 0.22.

Ma l'aspetto forse più qualificante in senso assoluto di questo progetto sta nel fatto che esso produce occupazione locale (e quindi è una risorsa economica, perché produce ricchezza) salvaguardando l'ambiente riciclando ciò che è scarto, rifiuto, cioè ciò che non è risorsa economica. Questo è solo un piccolo esempio di come si può tradurre in concreto quel concetto di "sviluppo sostenibile" finora solo sbandierato ai quattro venti. Non è esagerato affermare alla luce di ciò che il futuro del nostro pianeta dipende dalla volontà collettiva di tradurre in realtà i buoni intendimenti presenti solo sulla carta.

BIBLIOGRAFIA
 
 

Vittorio Gottardi, "I Metalli", Libreria Universitaria Patron, 1977;

Reidar Huglen "Light Metals 1997", T.M.S., 1997;

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