Science >> Wetenschap >  >> Chemie

Team beschrijft hoe je groen staal kunt produceren uit giftige rode modder

Fase-evolutie van rode modder met waterstofplasmaverwerking en mechanisme voor ijzerterugwinning. Credit:Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06901-z

De productie van aluminium genereert jaarlijks ongeveer 180 miljoen ton giftige rode modder. Wetenschappers van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung, een centrum voor ijzeronderzoek, hebben nu laten zien hoe op relatief eenvoudige wijze groen staal kan worden geproduceerd uit aluminiumproductieafval. In een vlamboogoven, vergelijkbaar met de ovens die al tientallen jaren in de staalindustrie worden gebruikt, zetten ze het ijzeroxide in de rode modder met behulp van waterstofplasma om in ijzer.



Met dit proces wordt bijna 700 miljoen ton CO2 geproduceerd -vrij staal zou geproduceerd kunnen worden uit de 4 miljard ton rode modder die zich tot nu toe wereldwijd heeft opgehoopt – wat overeenkomt met ruim een ​​derde van de jaarlijkse staalproductie wereldwijd. Zoals het Max Planck-team laat zien, zou het proces ook economisch haalbaar zijn.

Volgens prognoses zal de vraag naar staal en aluminium in 2050 met wel 60% toenemen. Toch heeft de conventionele productie van deze metalen een aanzienlijke impact op het milieu. Acht procent van de mondiale CO2 De uitstoot komt van de staalindustrie, waardoor dit de sector is met de hoogste uitstoot van broeikasgassen. Ondertussen produceert de aluminiumindustrie jaarlijks ongeveer 180 miljoen ton rode modder, die zeer alkalisch is en sporen van zware metalen zoals chroom bevat.

In onder meer Australië, Brazilië en China wordt dit afval hooguit gedroogd en op gigantische stortplaatsen gestort, met hoge verwerkingskosten tot gevolg. Als het hevig regent, wordt de rode modder vaak van de stortplaats weggespoeld, en als het droogt, kan de wind het als stof de omgeving in blazen.

Bovendien tast de sterk alkalische rode modder de betonnen muren van de stortplaatsen aan, wat resulteert in rode modderlekken die al verschillende keren tot milieurampen hebben geleid, bijvoorbeeld in China in 2012 en in Hongarije in 2010. Bovendien zijn grote hoeveelheden rode modder modder wordt ook gewoon in de natuur afgevoerd.

Potentieel om 1,5 miljard ton CO2 te besparen in de staalindustrie

"Ons proces zou tegelijkertijd het afvalprobleem van de aluminiumproductie kunnen oplossen en de ecologische voetafdruk van de staalindustrie kunnen verbeteren", zegt Matic Jovičevič-Klug, die als wetenschapper aan het Max-Planck-Institut für Eisenforschung een sleutelrol speelde in het werk. Dat blijkt uit een onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Nature laat het team zien hoe rode modder kan worden gebruikt als grondstof in de staalindustrie. Dit komt doordat het afval van de aluminiumproductie voor wel 60% uit ijzeroxide bestaat.

De Max Planck-wetenschappers smelten de rode modder in een vlamboogoven en reduceren tegelijkertijd het aanwezige ijzeroxide tot ijzer met behulp van een plasma dat 10% waterstof bevat. De transformatie, in vakjargon bekend als plasmareductie, duurt slechts tien minuten, waarbij het vloeibare ijzer zich scheidt van de vloeibare oxiden en vervolgens eenvoudig kan worden geëxtraheerd. Het ijzer is zo zuiver dat het direct tot staal verwerkt kan worden.

De vorming, opslag en gevaren van rode modder en oplossing met waterstofplasmabehandeling. Credit:Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06901-z

De overige metaaloxiden zijn niet meer corrosief en stollen bij afkoeling tot een glasachtig materiaal dat bijvoorbeeld als vulmateriaal in de bouw kan worden gebruikt. Andere onderzoeksgroepen hebben ijzer uit rode modder geproduceerd met behulp van een vergelijkbare aanpak met cokes, maar dit levert sterk vervuild ijzer en grote hoeveelheden CO2 op. . Door groene waterstof als reductiemiddel te gebruiken, wordt deze uitstoot van broeikasgassen vermeden.

"Als groene waterstof zou worden gebruikt om ijzer te produceren uit de 4 miljard ton rode modder die tot nu toe is gegenereerd bij de wereldwijde aluminiumproductie, zou de staalindustrie bijna 1,5 miljard ton CO kunnen besparen2 ”, zegt Isnaldi Souza Filho, onderzoeksgroepleider bij het Max-Planck-Institut für Eisenforschung.

Een economisch proces, ook met groene waterstof en elektriciteit

Ook de zware metalen in de rode modder kunnen met dit proces vrijwel worden geneutraliseerd. "Na reductie ontdekten we chroom in het ijzer", zegt Jovičevič-Klug. "Andere zware en edele metalen zullen waarschijnlijk ook in het ijzer of in een aparte ruimte terechtkomen. Dat zullen we in verdere studies onderzoeken. Waardevolle metalen zouden dan gescheiden en hergebruikt kunnen worden."

Bovendien zitten de zware metalen die in de metaaloxiden achterblijven stevig vast en kunnen ze niet meer met water worden uitgewassen, zoals bij rode modder wel het geval is.

Het rechtstreeks produceren van ijzer uit rode modder met behulp van waterstof komt echter niet alleen het milieu dubbel ten goede; het loont ook economisch, zoals het onderzoeksteam aantoonde in een kostenanalyse. Met waterstof en een elektriciteitsmix voor de vlamboogoven uit slechts gedeeltelijk hernieuwbare bronnen is het proces de moeite waard, als de rode modder 50% ijzeroxide of meer bevat.

Als ook de kosten voor de afvoer van de rode modder in ogenschouw worden genomen, is slechts 35% ijzeroxide voldoende om het proces economisch te maken. Met groene waterstof en elektriciteit is tegen de huidige kosten – ook rekening houdend met de kosten van het storten van de rode modder – een aandeel van 30 tot 40% ijzeroxide nodig om het resulterende ijzer concurrerend te laten zijn op de markt.

“Dit zijn conservatieve schattingen omdat de kosten voor het afvoeren van de rode modder waarschijnlijk vrij laag zijn berekend”, zegt Isnaldi Souza Filho. En vanuit praktisch oogpunt is er nog een voordeel:vlamboogovens worden veel gebruikt in de metaalindustrie – ook in aluminiumsmelters – omdat ze gebruikt worden om schroot te smelten. In veel gevallen zou de industrie daarom maar een klein beetje hoeven te investeren om duurzamer te worden.

"Het was belangrijk voor ons om in ons onderzoek ook rekening te houden met economische aspecten", zegt Dierk Raabe, directeur van het Max-Planck-Institut für Eisenforschung. "Nu is het aan de industrie om te beslissen of zij gebruik zal maken van de plasmareductie van rode modder tot ijzer."

Meer informatie: Matic Jovičević-Klug et al, Groen staal uit rode modder door klimaatneutrale waterstofplasmareductie, Natuur (2024). DOI:10.1038/s41586-023-06901-z

Journaalinformatie: Natuur

Aangeboden door Max Planck Society




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Waarom kunnen we de voetstappen van anderen horen,
  2. Voor het eerst vogelgriep gedetecteerd bij alpaca's in de VS
  3. Studie beantwoordt een al lang bestaand mysterie over slangenpredatie
  4. Pizza-nachtmerries:kan uw dieet uw dromen bepalen?
  5. Nieuw begrip van de innerlijke wereld van lysosomen
  6. Achter de puppy-hondenogen
  7. Hoe vogelgriep werkt
  8. Vogelgriep gedetecteerd bij wilde vogels in New York City
  9. Hoe vergif Sumac te behandelen?

Wetenschap