Простой процесс быстро извлекает железо и делает остальное в значительной степени безвредным.
24 января 2024 г. Подписывайтесь на наш канал в Telegram
Остатки переработки алюминиевой руды, красный шлам, показанный здесь, в Черногории, За прошедшие годы добыча алюминия оставила после себя миллиарды тонн едкого осадка, называемого красным шламом. Но сегодня в журнале Nature ученые сообщают, что простой химический процесс может извлечь из этих отходов еще один полезный металл, железо, а остаток превратить в преимущественно безвредное вещество, пригодное для изготовления бетона. Если этот процесс можно будет масштабировать и он окажется экономически эффективным, он может помочь производителям перерабатывать отходы в экологически чистую сталь, говорят исследователи.
«Очень многообещающе», — так Яннис Понтикес, инженер-механик из Левенского университета, описывает скорость реакций и чистоту продукта. Но Понтикес, не принимавший участия в исследовании, предупреждает, что эксперимент проводился только с одним типом красного шлама, поэтому трудно делать какие-либо обобщения о его полезности.
Первым шагом в производстве алюминия является добыча породы, называемой бокситом, которая богата оксидом алюминия, также известным как глинозем. При извлечении глинозема остаются отходы, называемые красным шламом, которые имеют высокую щелочность и могут также содержать токсичные тяжелые металлы, такие как кадмий. Ежегодно в результате этого процесса образуется около 180 миллионов тонн красного шлама. Вещи оставляют сохнуть в водоемах, а прорывы плотин вызвали разрушительные наводнения . В настоящее время лишь небольшое количество отходов обрабатывается, чтобы сделать их менее едкими. После обезвреживания оставшееся вещество можно использовать в качестве строительного материала.
Тем не менее, исследователи уже давно знают, что из красной шлама можно извлечь большую пользу . Он содержит много железа — до 70% по весу — и меньшее количество редкоземельных металлов, таких как скандий. Однако в красном шламе эти ценные элементы химически связываются с кислородом, образуя оксиды — соединения, которые гораздо менее полезны, чем чистые металлы. Один из способов удаления кислорода из оксида железа (технический термин для этой реакции — его восстановление) — плавить его при смешивании с углеродом. Это традиционный метод превращения железооксидной руды в сталь. Это дешево и эффективно, но этот процесс требует много ископаемого топлива и выделяет углекислый газ, парниковый газ.
Возможна альтернатива. В прошлые годы Матич Йовичевич-Клуг и Иснальди Соуза Фильо из Института исследований железа Макса Планка и другие ученые-материаловеды показали, что железную руду можно восстановить с помощью газообразного водорода. В лаборатории Йовичевич-Клуг и Соуза Фильо усовершенствовали это достижение, используя электродуговую печь для плавления руды, подвергая ее воздействию плазмы ионизированных атомов водорода. Электрически заряженные ионы водорода отрывают атомы кислорода от железа гораздо быстрее, чем газообразный водород. Некоторые сталелитейные компании планируют опробовать этот подход., работающий на возобновляемых источниках энергии, на железной руде.
Коллега предложил дуэту попробовать этот процесс с красной грязью. В этом не было уверенности, потому что химический состав красного шлама гораздо сложнее, чем химического состава железной руды. Но после плавления 15 граммов грязи в печи в течение примерно 10 минут исследователи обнаружили сферы размером с жемчуг из почти чистого железа. «Я был очень удивлен», — говорит Соуза Фильо.
Разрезав и проанализировав сферы и другие продукты реакции, исследователи собрали воедино произошедшие химические превращения. Они обнаружили, что этот процесс очень эффективен при извлечении железа из грязи. Теоретически можно было бы извлечь и другие, еще более редкие элементы. В качестве бонуса остатки преобразуются в почти нейтральный pH, что делает их гораздо дешевле использовать в строительстве, поскольку их не нужно обрабатывать для снижения щелочности.
Если существующую в мире красную грязь переработать для производства железа, она может стать источником нескольких сотен миллионов тонн экологически чистой стали, говорят исследователи, по сравнению с 1,9 миллиарда тонн стали, производимой в мире каждый год. Основное преимущество перед другими подходами заключается в том, что ни красный шлам, поступающий в печь, ни железо не требуют обработки, например, путем обжига. «Это существенно экономит энергию», — говорит Соуза Фильо. А если электрическая печь промышленного размера будет работать на возобновляемых источниках энергии, она сможет производить сталь с меньшими выбросами углекислого газа, что является основной целью отрасли. «Это может быть одним из шагов к достижению этой цели», — говорит Ченна Рао Борра, металлург из Индийского технологического института Харагпура, который не принимал участия в исследовании.
Еще предстоит проделать значительную работу. По словам Рао Борра, потребуется пилотное исследование, чтобы помочь оценить экономическую целесообразность добычи красного шлама, а также контролировать испарения от переработки. Некоторые производители стали уже эксплуатируют большие дуговые печи, но им придется построить новые ближе к местам хранения красного шлама. По словам Алекса Кинга, ученого-материаловеда из Университета штата Айова, строительство солнечных ферм или других источников чистой энергии для питания печей увеличит затраты. «Я думаю, что все будет зависеть от фактического содержания красного шлама, который наиболее доступен и имеет наибольший доступ к чистой энергии», — говорит Кинг. «Конечно, на этот процесс стоит обратить внимание, учитывая эти ограничения». Сможет ли водородная плазма превратить красную грязь если не в сокровище, то во что-то прибыльное, еще неизвестно.