Отходы добычи алюминия могут стать источником экологически чистой стали

Металлы, составляющие основу современного общества, также вызывают ряд проблем. Отделение нужных нам металлов от других минералов часто является энергозатратным и может оставить после себя большие объемы токсичных отходов.

Группа исследователей из Германии теперь выяснила, как решить некоторые из этих проблем для определенного класса отходов горнодобывающей промышленности, образующихся при производстве алюминия. Их метод основан на использовании водорода и электричества, которые могут быть получены для извлечения железа и, возможно, других металлов из отходов.

Красный шлам

Первым шагом в производстве алюминия является изоляция оксида алюминия от других материалов в руде. В результате остается материал, известный как красный шлам; по оценкам, ежегодно производится около 200 миллионов тонн. Хотя красный цвет обусловлен наличием оксидов железа, в нем содержится множество других материалов, некоторые из которых могут быть токсичными.

Все эти особенности означают, что красный шлам обычно не может (или, по крайней мере, не должен) возвращаться в окружающую среду. Обычно его хранят в защитных прудах — по оценкам, во всем мире в них содержится 4 миллиарда тонн красного шлама, и многие защитные пруды за последние годы разорвались.

В некоторых местах оксиды железа могут составлять более половины веса красного шлама, что потенциально делает его хорошим источником железа. Традиционные методы обрабатывают железные руды путем реакции их с углеродом, что приводит к выделению углекислого газа. Но были предприняты усилия по развитию производства «зеленой стали», в котором этот этап заменяется реакцией с водородом, оставляя воду в качестве основного побочного продукта. Поскольку водород можно производить из воды с использованием возобновляемой электроэнергии, это потенциально может устранить значительную часть выбросов углерода, связанных с производством железа.

Команда из Германии решила проверить метод производства зеленой стали на красном шламе. Они нагрели часть материала в электродуговой печи в атмосфере, состоящей в основном из аргона (который ни с чем не реагирует) и водорода (10 процентов смеси).

Получение железа

Реакция была на удивление быстрой. Через несколько минут в смеси начали появляться конкреции металлического железа. Производство железа было в основном завершено примерно за 10 минут. Железо было удивительно чистым: около 98 процентов массы материала в конкрециях составляло железо.

Начав с образца красного шлама весом 15 граммов, процесс сократил его до 8,8 граммов, поскольку большая часть кислорода в материале высвободилась в виде воды. (Стоит отметить, что эту воду можно снова использовать для производства водорода, замыкая цикл этого аспекта процесса.) Из этих 8,8 граммов около 2,6 (30 процентов) было в форме железа.

Исследование показало, что в смеси также образуются небольшие кусочки относительно чистого титана. Таким образом, есть шанс, что это можно будет использовать для производства дополнительных металлов, хотя процесс, вероятно, придется оптимизировать, чтобы повысить выход чего-либо, кроме железа.

Хорошей новостью является то, что после этого красного шлама, о котором стоит беспокоиться, останется гораздо меньше. В зависимости от источника исходной алюминийсодержащей руды некоторые из них могут включать относительно высокие концентрации ценных материалов, таких как редкоземельные минералы. Обратной стороной является то, что любые токсичные материалы в исходной руде будут значительно более концентрированными.

Плохой новостью является то, что этот процесс невероятно энергозатратен как при производстве необходимого водорода, так и при работе дуговой печи. Стоимость этой энергии делает ситуацию экономически сложной. Частично это компенсируется более низкими затратами на переработку — руда уже получена и имеет относительно высокую чистоту.

Но ключевой особенностью этого является чрезвычайно низкий уровень выбросов углекислого газа. В настоящее время в большинстве стран цена на них не установлена, что значительно усложняет экономику этого процесса.

Источник: https://arstechnica.com/science/2024/01/researchers-figure-out-how-to-extract-green-iron-from-mining-waste/