铝圣杯、易拉罐、苹果机……一部从旧贵族到新经济的铝变史

“风·物”风物长宜放眼量,物产金融人文史。

人之为君子,唯善假于物。人文的演变无非物之人化:人发现并利用大地的物产,不断成就自身的演进,而金融在人类历史的演进中重新将分裂的个体连接起来,成为人类的共同体。扑克投资家新文章系列——“风·物”——旨在重新发现人和物的关系,以更广阔的视野,以更博大的胸怀。

本文作者:章舟,扑克内容团队;如需转载,请联系扑克作者君(ID:puoker)授权。更多精彩内容,请下载扑克财经App(iOS及安卓版本均可下载)。

继推出史上最贵iPhone之后,苹果的新品发布会再次吸引了全世界的眼球。尤其令“果粉”们欢呼,尖叫的是新款MacBook Air的问世。有人惊呼“ MacBook Air又回来了”。

此次发布的最新款MacBook Air,除了满满的黑科技之外,另外一大亮点就是——环保!为了突出新产品“环保”的特点,苹果可谓费尽心思。

性能更强大,但也更轻更薄:体积缩小 17%,机身厚度仅有 15.6mm,厚度减少 10% ,重量仅 2.75 磅重(约 1.25 千克),制造也很环保(100% 循环利用铝材料)。按照苹果方面的说法,这是最环保的MacBook。

此外,与全新 MacBook Air 一样,全新Mac Mini材质上用的是铝合金材质,并实现了 100% 可回收利用。可见,一向注重环保的苹果,此次又大打环保牌,并将其作为产品的新亮点。

不仅苹果,每一款新品电子产品的发布,都意味着大批量的旧款产品面临集体“下岗”,它们将何去何从?旧电子产品拆解产生的一系列垃圾,对环境造成的巨大污染又由谁来买单?

正因为此,苹果公司早已从业务运营的每一个环节来着手应对这些问题。在从产品销售中赚得盆满钵满的同时,苹果也为爱护地球做了一点微小的贡献。正如苹果的那句广告语“为了减少对地球的索取,我们增加了对自己的要求。”

关于铝的回收利用,其实是老生常谈的话题了,自电子产品盛行以来,关于这方面的污染就数不胜数,而到如今,电子垃圾对我们生活造成的危害已经到了不能忽视的程度,不仅造成了资源的消耗,而且造成了巨大的环境污染。苹果之所以如此重视环保工作,除了对本身品牌形象的提升外,也为我们科普了这方面的知识。而此次苹果发布会大打“环保牌”的背后,涉及铝产业链的哪些方面?苹果又是怎么回收铝的?下面我们就从铝的应用史开始,带大家走进铝的世界。

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传统的电解铝生产方法

铝,符号Al,是地壳中丰度第三的元素(排在氧和硅之后),也是丰度最高的金属元素。铝的密度为2.7克/立方厘米,而钢铁的密度约为8.9克/立方厘米,因而同体积下,铝的质量只有钢铁的三分之一不到,这在对重量要求很高的场合是非常宝贵的。

但是说来有意思,与其他金属不同的是,人们开发利用金属铝的历史却并不是很长,只有区区的几百年,和金、银、铜、铁等数千年的历史不可同日而语。古代所说的“五金”便是指金、银、铜、铁、锡五种金属,难觅铝的踪迹。何也?

中学化学知识还没忘光的朋友,都会记得这张金属活动性次序表:

从这张图可以看出,在常见金属中铝的活动性居第五位,仅次于前面几个“暴脾气”(和水都能起反应的主,回忆下金属钠放到水里的场景,真叫一个恐怖)。

铝的脾气虽然没有钠那么火爆,但是性质同样非常活跃,很容易和氧气反应:把表面光亮的铝条暴露在空气中,很快就生成一层灰暗的氧化膜。不过这层膜有一个好:非常致密,阻碍了内部的铝同氧气进一步反应。

不但如此,铝还有一个非常有意思的性质:酸碱通吃。作为常见金属中唯二(另一是锌)的两性元素,导致其既不耐酸,也不耐碱,因而很难被提炼出来,无怪乎在漫长的历史时期中,铝一直未能被人们广泛应用。

相传,在法国皇帝拿破仑三世的宴会上,餐桌上的用具几乎全是用银制成的,唯有他自己用的那一个碗却是铝制品。为显示自己的富有和尊贵,他还令人给他制造了一顶比黄金冠更名贵的王冠——铝王冠。

其实不只有拿破仑三世对铝如此执着,美国首都华盛顿那座埃及式的方尖石碑,顶部的奔奔石没有使用传统埃及的黄金,而是用的当时世界上最大的一块铝锭。按照当时铝的价格,这块铝锭可谓是稀世之宝,价值不亚于钻石。可见铝在当时是有多么的珍贵。

虽然铝的价格昂贵,但由于其性能优良,又难以替代,人们还是展开了美好的梦想。俄国作家车尔尼雪夫斯基曾在他的小说《怎么办》中写到:终有一天,铝将代替木材,甚至可能代替石头。看,这一切是多么奢侈,到处都是铝。

梦想总是要有的,万一实现了呢?

奢侈与否,说到底还是取决其冶炼难易程度。当一种东西可以被大量生产时,自然也就“旧时王谢堂前燕,飞入寻常百姓家”了。昔日贵族的奢侈,早已成为生活的日常,从“无价之宝”变为了白菜价。而这,要感谢电解铝技术的发明。可见,科学技术确实是第一生产力。

1884年,在美国奥伯林学院化学系,有一位叫做查尔斯·马丁·霍尔的青年学生,应用电解熔融状态的氧化铝来冶炼铝,这就是中学化学课本上所说的电解制铝法。

氧化铝的熔点很高(2050℃),所以他在氧化铝中加入了一种能够溶解氧化铝,而又能降低其熔点的材料——冰晶石(Na3AlF6),使得冰晶石与氧化铝混合体系的熔点仅在930℃~1000℃之间,而且冰晶石在电解温度下不被分解,并有足够的流动性,有利于进行电解。

霍尔采用瓷坩埚,碳棒(阳极)和自制电池,进行电解时,观察到有气泡出现,但却没有金属铝析出。他推测,电流使坩埚中的二氧化硅分解,于是他对电池进行改装,用碳作坩埚衬里,又将碳作为阴极,从而解决了这一难题。

同时,法国化学家埃鲁也在同年发明了相同的炼铝法。

电解法使得冶炼铝的成本大幅度降低,从而使得铝成为工业上普遍应用的材料,130多年后的今天,工业上依然采用这种方法电解铝。昂贵铝的年代一去不复返了。

但可惜的是,由于当时美国的工业化尚未完成,俄亥俄州仍以农业为主导产业,霍尔的这一重大发明并未引起足够的重视。科学发现固然仰望星空,但填饱肚子才是脚踏实地。

无奈之下,霍尔来到当时美国的工业重镇匹兹堡,与著名的冶金学家阿尔弗莱德·E·汉特(Alfred E. Hunt)合作,于1888年共同参与创立了Reduction Company of Pittsburgh公司,并从1907年起改名为全美铝业(Aluminum Company of America,缩写Alcoa),它长期垄断了铝制品市场。至今仍是世界知名的铝业巨头。

值得一提的是,在111年后的今天,与苹果和力拓合作,率先实现了炼铝技术的又一次重大突破的,竟然就是这家开创了电解铝的百年企业。具体如何,且听后文分解。

顺便提及一下,这位发明家和中国也有着深厚的历史渊源:他的姐姐曾经在中国传教,他去世后,部分遗产被捐出。当时,位于北京的燕京大学校长司徒雷登了解到他在遗嘱中声明“遗产中一部分要用于研究中国文化”,因而亲自活动,成功说服哈佛大学与燕京大学合作,在1929年成立哈佛燕京学社,并设立燕京学社北平办事处。著名汉学家费正清,就曾经受到燕京学社的资助。

历史,总是充满了惊人的巧合。

用这种电解铝法生产铝,需要大量高纯度的氧化铝。那么氧化铝怎么生产呢?工业上广泛应用的是拜耳法。

拜耳法1887年由奥地利工程师卡尔·约瑟夫·拜耳发明,是一种工业上广泛使用的,从自然界铝土矿生产氧化铝的化工过程。

拜耳法的基本原理并不复杂:利用氧化铝“酸碱通吃”的性质,用浓氢氧化钠溶液将氢氧化铝转化为铝酸钠,通过加水稀释,和添加氢氧化铝晶种使氢氧化铝重新析出(也可通入酸性的二氧化碳气体,促进氢氧化铝析出),剩余的高浓度氢氧化钠溶液重新用于处理下一批铝土矿,实现了连续化生产。今日,世界上95%的铝业公司都在使用拜耳法生产氧化铝。下图就是拜耳法的全过程。

从铝的冶炼过程可以看出,炼铝是高耗能行业。在电解铝的成本构成中,电力成本大约占40%,每吨电解铝的耗电量高达13500度。同时,尤其是从氧化铝电解到铝的过程中,由于使用了石墨电极,又是在高温下反应,因而不可避免产生大量的二氧化碳温室气体,对全球变暖的作用不可低估。

正因为如此,作为用铝大户的苹果,推出了减少温室气体排放的计划。现在,苹果将联合美国铝业 (Alcoa,就是电解铝技术发明者参与创立的这家企业) 和力拓铝业 (Rio Tinto Aluminum) 这两大铝业巨头成立一家名为 Elysis 的合资企业,研发革命性的“无碳铝”冶炼技术,减少冶炼过程中的温室气体排放。就在今年5月,“无碳铝”首次炼铝成功,意味着传统的石墨电极将走入历史。

神秘的导电材料

新技术采用了更加先进的导电材料以取代石墨电极,而新材料是化学惰性的,不会与氧气反应,寿命将比传统石墨电极提高30倍,氧化铝中分解出的氧气将能够直接排放,二氧化碳变成氧气,是不是一听就很环保?据这家公司官方消息,这种技术有望在2024年进入商业化生产,到时炼铝行业就真正实现“零排放”了!不过由于商业秘密的原因,这种材料的具体成分还不得而知。

苹果在铝生产上所做的环保努力并不止这一件:2017 财年,由于铝金属生产工艺的改良,以及供应商改用可再生能源,苹果将温室气体排放量减少了 260 万吨。

Elysis的工人正在炼铝,图自苹果。

2

资源的消耗——铝的回收

虽然环保炼铝法减少了温室气体的排放,但无法减少对自然资源的开采。

铝资源属于矿产资源,而矿产资源是不可再生资源,也就是说,我们用一点就少一点;同时正如前文所言,铝的冶炼属于高耗能、高污染行业,对环境的不良影响显而易见。因而无论是从经济角度,还是环境角度,回收铝都是非常有意义的工作。

正因为如此,铝的回收已经形成一项产业。无论是易拉罐,还是铝板材,都形成了庞大的回收产业链。正因如此,小区楼下才会响起此起彼伏的叫卖声。

虽然铝的回收比例整体而言相当高,但全球铝回收业的发展并不均衡。

在许多发达国家中再生铝产量与原铝的比重已经超过了50%,日本更高达99%以上。根据全球著名金属行业分析机构CRU的统计,在2008年的时候,全球的废铝供应量大概在1700 万吨左右,这个数字在2016年上涨到了2500万吨,上涨了46%。这一上涨的趋势将会持续。CRU的数字显示,在2020年的时候,全球废铝供应量达到2900万吨,而这个数字在2025年的时候,会继续增加到3400万吨。

在2008年,西欧和美国的废铝供应量占据了全球废铝供应量的半壁江山,53%;在2016年,来自于这些国家和地区的废铝只占全球废铝供应量的大约36%。在同一时间段内,中国的废铝供应是从 2008年的仅占全球废铝供应量的17%上涨到了2016年的34%,并且中国的废铝贡献率还在逐步加快。

按全球平均水平计算,废铝回收率最高的行业是建筑和汽车行业,都达到了90%以上,其次是饮料罐行业,为63%。

也就是说,你喝的100罐易拉罐饮料中,平均有63罐是用别人喝过的易拉罐制造的。没准,上面可能还留有组成上一个人嘴唇的分子。

然而不管是回收易拉罐,还是建筑物上的铝架,能直接用来制造苹果产品么?非也!

正如文章一开头提到的,铝是一种极活泼的金属,表面极易氧化而失去光泽,因而这样的普通再生铝远远满足不了苹果的加工工艺要求。想象一下,你愿意接受一台表面黯淡无光的ipad,iPhone或是MacBook么?那也太掉苹果的价了吧。

苹果在制造产品的过程中,使用的是高等级的材料,以使产品既坚固耐用,又极具美感。苹果发现,回收铝的最佳来源之一正是自身的产品和工艺流程。目前,保持铝达到此品质水平的唯一方法便是保持单一纯净的材料流,而不是像回收机构中常见的那样与其他等级的废铝混合。而废品回收站里回收来的铝显然属于“大杂烩”,无法满足这种要求。

怎样解决这个问题呢?苹果面对的挑战是,回收铝的同时,要保持其品质不会降低。环保和性能,缺一不可。唯一的办法是,从被回收的苹果产品中再利用!把过时产品中的铝提取出来,赋予其新的生命。

3

浴火重生:全靠拆解机器人

将一部屏幕碎成渣渣的 iPhone拿去回收,提取出里面的铝制材料,应该怎么做?

你的想象可能是这样的:

破碎法是现在最常用的回收方式。一般而言,这部手机可能会先被粗暴地破坏,再由人手或用机器将可回收的组件分离。这种方式最终能回收的材料有限,而且往往质量会受影响,无法满足以要求严苛著称的苹果。

但现在,苹果有了拆解机器人 Daisy,在苹果,手机的回收全靠它:

苹果最新的拆解机器人 Daisy,图自苹果

Daisy 是苹果的第二代拆解机器人,长约 30 英尺(约 9 米),由 5 个机械臂和传输带组成。跟粗暴直接的破碎法不同,Daisy 可以更细致地拆解和分拣各种组件,每小时最快可以拆解 200 部 iPhone。有了它的帮助,包括铝壳在内的更多有价值材料可以得到回收。《福布斯》一位记者的报道详细记录了 Daisy 的拆机过程。

在一位工作人员将旧 iPhone 放入漏斗后,Daisy 会先通过视觉识别算法,判断该 iPhone 的型号和弯曲程度。弯曲程度不多于 10 毫米,才可以继续进行拆解。

Daisy 的拆解过程,图自苹果

拆解的第一步是手机屏幕,然后是听筒等组件。拆解电池的时候, Daisy 会先用零下 80 度的温度将电池冷冻,再将它跟粘合剂分离。之后拆解电路板,让 iPhone 呈 90 度垂直地面,分离摄像头、扬声器等组件。

工作中的 Daisy,图自苹果

到最后会有两个工作人员帮忙善后:一个清理机身外壳,另一个将零碎的组件分类。其中有价值的材料将会被送往回收机构进行回收。至此,一部被淘汰的iPhone才真正实现了“变废为宝”。

苹果最新的拆解机器人 Daisy 能以极其创新且高效的方式回收 iPhone 中更多有价值的

材料。相比之下,破碎法等现有的技术只能回收有限的几种材料,并且往往会影响其质量。

Daisy 每小时最多可拆解 200 部 iPhone,并拆除和分拣各种组件。在它的帮助下,不但可以回收传统回收机构无法处理的材料,而且回收品质更高。通过精心拆解苹果的产品,能够将各种组件和材料直接送往可以回收重要材料的回收机构。随后,这些材料将回归二级材料市场,实现闭环供应,从而减少对地球资源的开采需求。

主板、扬声器、后置摄像头和机身外壳等组件会分类回收,图自苹果

在加强回收利用的同时,苹果也正在对产品设计作出改变,减少需要的材料用量。例如,苹果改变了制造 12.9 英寸iPad Pro 机身的方式,以片材锻造设计取代挤压工艺,使铝金属的需求量锐减了 73%。2015 年以来,尽管销售额不断增加,但苹果全部产品的原铝消耗量已经减少23%。

4

金属回收,任重而道远

苹果之所以在回收上不遗余力,固然是企业社会责任的体现,但也需要考虑企业的承受能力。

我们生活在科技日新月异的今天,早已习惯了各种电子产品,习惯了快速的更新换代,并不以为意,但我们不知道的是,以国内的手机来说,我国每年光淘汰的废旧手机约有20亿部,而且每年在以2到4亿部的数量增长,每年产生的废旧手机首尾相连可以环绕地球一周。

在一众手机厂商中,为何只有苹果有能力率先举起环保的大旗?其实原因很简单:苹果赚钱的速度实在太恐怖了,宛如一台开足马力的印钞机,这才是苹果环保最有力的后盾。

作为一家企业,从商业的角度来说,苹果完全可以不去增加研发成本,不去开发环保材料,因为这部分的成本对企业来说绝对是额外的支出。苹果这么做,无疑为电子产品厂商树立了一个榜样。

我们先来看一看苹果发布的2018财年Q4财报,财报数据简直可以用“亮眼”来形容:本季度苹果卖出公司历史上第20亿台IOS设备,营收629亿美元,同比增长20%,远超华尔街分析师平均预期的612亿美元,净利润141亿美元,同比增长32%;每股摊薄后盈利2.91美元,同比增长41%。

高额的利润,是苹果不遗余力投入环保的最大底气。相比之下,国内的电子产品厂商们,有这样的底气么?

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