MIT universitair hoofddocent metallurgie Antoine Allanore heeft een subsidie ​​van $ 1,9 miljoen ontvangen van het Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) van het Amerikaanse Department of Energy om grootschalige tests uit te voeren van een nieuwe manier om koper te produceren met behulp van elektriciteit om koper te scheiden van gesmolten zwavel- gebaseerde mineralen, die de belangrijkste bronnen van koper zijn.

Een van de belangrijkste doelen van Allanore is het maken van zeer zuiver koper dat direct kan worden gebruikt voor de productie van koperdraad, er is een toenemende vraag naar toepassingen van hernieuwbare energie tot elektrische voertuigen. De productie van elektrische en hybride auto's en bussen zal naar verwachting stijgen van 3,1 miljoen voertuigen in 2017 tot 27,2 miljoen in 2027, met een bijbehorende negenvoudige toename van de vraag naar koper vanaf 204, 000 ton tot 1,9 miljoen ton (2,09 miljoen Amerikaanse ton) in dezelfde periode, volgens een IDTechEx-rapport van maart 2017 in opdracht van de International Copper Association (ICA).

In juni 2017, onderzoekers in het laboratorium van Allanore hebben vastgesteld hoe zuiver koper en andere metaalelementen in één stap selectief kunnen worden gescheiden van sulfidemineraalerts. Hun gesmolten sulfide-elektrolyseproces elimineert zwaveldioxide, een schadelijk bijproduct van traditionele koperextractiemethoden, in plaats daarvan het produceren van pure elementaire zwavel.

"We denken dat we met onze technologie deze koperdraden kunnen voorzien van minder energieverbruik en een hogere productiviteit, ", zegt Allanore. Het is misschien mogelijk om de energie die nodig is voor het maken van koper met 20 procent te verminderen.

Bij eerder onderzoek is postdoc Sulata K. Sahu en promovendus Brian J. Chmielowiec '12, ontbonden zwavelrijke mineralen bij hoge temperatuur tot zuivere zwavel en onttrokken drie verschillende metalen met zeer hoge zuiverheid:koper, molybdeen, en renium. Het proces is vergelijkbaar met het Hall-Héroult-proces, die elektrolyse gebruikt om aluminium te produceren, maar werkt bij een hogere bedrijfstemperatuur om de productie van vloeibaar koper mogelijk te maken.

Momenteel, er zijn meerdere stappen nodig om koper te scheiden, eerste verpletterende sulfidemineralen, en dan de koperhoudende delen naar buiten drijven. Dit koperrijke materiaal - koperconcentraat - wordt vervolgens gedeeltelijk geraffineerd in een smelterij, en verder gezuiverd met elektrolytische raffinage. "De aanpak van professor Allanore zou werken op het koperconcentraat en heeft het potentieel om koperstaaf in één keer te produceren, terwijl ongewenste onzuiverheden worden gescheiden en waardevolle bijproducten worden teruggewonnen die ook in het concentraat zitten, " zegt Hal Stillman, directeur van technologieontwikkeling en -overdracht voor de International Copper Association. "De aanpak van professor Allanore is een grote stap; het maakt een geheel nieuwe benadering van koperraffinage mogelijk."

De driejarige De DOE-prijs van $ 1,89 miljoen stelt de groep van Allanore in staat een grotere reactor te maken, ongeveer 10 keer zoveel vloeibaar koper per uur produceren, en om de reactor voor een langere tijd te laten draaien, genoeg om vast te stellen wat er gebeurt met de andere metalen die koper vergezellen, die ook commercieel belangrijk zijn.

Allanore's groepsinspanningen begonnen dit jaar, en hij hoopt dat het de gegevens zal opleveren die nodig zijn om binnen drie jaar door te gaan naar een proeffabriek. "We streven ernaar klaar te zijn om de ontwerpcriteria te leveren, de materiaal- en bedrijfsomstandigheden van een demonstratiereactor van één ton per dag, " zegt Allanore. "Als alles lukt, dat is wat we zullen leveren."

De belangrijkste technische uitdagingen die moeten worden overwonnen, zijn het bewijzen van de duurzaamheid van het proces over een langere periode en het verifiëren van de zuiverheid van de metalen die tijdens het proces worden gemaakt. Enkele bijproducten van de koperproductie, selenium, bijvoorbeeld, zijn op zich waardevol.

"De revolutie die we voorstellen is dat slechts één reactor alles zou doen. Het zou het vloeibare koperproduct maken en ons in staat stellen elementaire zwavel terug te winnen, en stelt ons in staat om selenium terug te winnen, " zegt Allanore. "We gebruiken elektriciteit, en elektronen kunnen erg selectief zijn, dus we gebruiken elektronen op een manier die de meest efficiënte scheiding van de producten van het chemische proces mogelijk maakt."

Conventionele pyrometallurgie produceert koper door het erts in lucht te verbranden, vereist vier stappen en produceert schadelijke verbindingen zoals zwaveldioxide (SO2) die secundaire verwerking tot zwavelzuur vereisen. De eerste batch koper vereist ook verdere verwerking. "Het laat kopermetaal achter met te veel zwavel en te veel zuurstof, te veel voor stroomafwaartse directe draadproductie, ' zegt Allanore.

De nieuwe elektrolysemethode met gesmolten sulfide van Allanore lab gaat beter om met sporenmetalen en andere onzuiverheden die met het koper worden geleverd, waardoor scheiding van meerdere elementen met een hoge zuiverheid uit hetzelfde productieproces mogelijk is. "Daarom, we kunnen het productieproces van koperdraden heroverwegen, ' zegt Allanore.

"Het essentiële deel gaat over het verstrekken van de sector - mijnbouwbedrijven, bestaande smeltbedrijven en bestaande koperproducenten - enkele gegevens die laten zien wat er gebeurt bij langere operaties en op grotere schaal, ' zegt Allanore.

De International Copper Association heeft een levenscyclusanalyse uitgevoerd die verschillende gebieden heeft geïdentificeerd waar de koperindustrie haar ecologische voetafdruk kan verbeteren. De studie geeft aan dat de industrie de uitstoot van zwaveldioxide ter plaatse moet blijven verminderen en haar elektriciteit moet halen uit bronnen die milieuvriendelijker zijn. Het project van Allanore is voor beide onderwerpen relevant. "Als ontwikkeld en ingezet, het heeft het potentieel om de vraag naar energie te verminderen, volledig draaien op hernieuwbare energie, en de uitstoot van zwaveldioxide te verminderen, " ICA technologiedirecteur Stillman zegt. "Bovendien, het kan ongewenste onzuiverheden scheiden en waardevolle bijproducten uit het concentraat terugwinnen. Direct, het technische bewijs dat voor opwinding zorgt, is een kleinschalige proof-of-principle-demonstratie. Het is geweldig dat EERE de benodigde initiële financiering heeft verstrekt om het potentieel te verkennen. Als het proces op grotere schaal werkt, het zou het soort revolutionaire benadering kunnen zijn waar de industrie naar op zoek is."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.