アルミニウムの鉱山廃棄物はグリーンスチールの原料になる可能性がある

現代社会の根幹をなす鉱物もまた、さまざまな問題を引き起こしています。 必要な金属を他の金属から分離することは多くの場合エネルギーを大量に消費し、大量の有毒廃棄物が残る可能性があります。 純粋な形でそれを取得するには、多くの場合、2 番目の大量のエネルギー投入が必要となり、それに伴う炭素排出量が増加します。

ドイツの研究者チームは、アルミニウムの生産中に発生する特定の種類の鉱山廃棄物について、これらの問題のいくつかに対処する方法を発見しました。 彼らの方法は、再生可能エネルギーから得られる水素と電気に依存し、廃棄物から鉄や場合によっては他の金属も抽出します。 残ったものは依然として有毒である可能性がありますが、環境には有害ではありません。

泥の中から抜け出す

アルミニウム生産の最初のステップは、鉱石内の他の物質から酸化アルミニウムを分離することです。 これにより、赤粘土として知られる物質が残ります。 年間約2億トンが生産されると推定されています。 赤い色は存在する酸化鉄に由来していますが、他の多くの物質が含まれており、その中には有毒な物質も含まれています。 酸化アルミニウムを分離するプロセスでは、材料の pH が非常に塩基性になります。

これらの特徴はすべて、赤粘土は一般に環境に戻すことができない (または少なくともすべきではない) ことを意味します。 これは通常、世界的に40億トンの赤土が含まれていると推定される格納池に保管されており、数年の間にいくつかの格納池が爆発した。

場所によっては酸化鉄が赤粘土の重量の半分以上を占めることがあり、鉄の優れた供給源となります。 伝統的な方法では、鉄鉱石を炭素と反応させて二酸化炭素を放出することで処理していました。 しかし、このステップを水素との反応に置き換え、主な副生成物として水を残す「グリーンスチール」の製造を開発する取り組みが行われてきた。 水素は再生可能電力を使用して水から製造できるため、鉄の製造に伴う炭素排出の多くを削減できる可能性があります。

ドイツのチームは、赤い粘土の上で生の鋼を製造する方法をテストすることにしました。 彼らはいくつかの材料を加熱しました 電気炉 大部分がアルゴン (何も反応しない) と水素 (混合物の 10 パーセント) からなる雰囲気下で。

鉄をポンピング（排出）する

反応は驚くほど速かった。 数分以内に、混合物中に金属鉄の塊が現れ始めました。 鉄の生産は約 10 分でほぼ完了します。 鉄は驚くほど純粋で、塊の材料の重量の約 98 パーセントが鉄でした。

彼女は 15 グラムの赤粘土サンプルからプロセスを開始しましたが、材料中の酸素の多くが水として放出されるため、それを 8.8 グラムに減らしました。 （この水を再利用して水素を生成し、プロセスのこの側面のループを閉じることができることは注目に値します。）8.8グラムのうち、約2.6グラム（30パーセント）は鉄の形でした。

研究の結果、混合物中には比較的純粋なチタンの小片がいくつか形成されていることが判明しました。 したがって、これを利用して追加の金属を生産する機会はありますが、鉄以外の生産を増やすにはおそらくプロセスを改善する必要があります。

良いニュースは、その後は心配するほどの赤土がないことです。 元のアルミニウム含有鉱石の供給源によっては、その一部には、希土類金属などの貴重な物質が比較的高濃度で含まれる場合があります。 欠点は、元の原材料に含まれる毒素が大幅に濃縮されてしまうことです。

小さなプラスとして、このプロセスでは残りの残留物の pH も中和されます。 つまり、心配することが少なくとも 1 つ減ります。

欠点は、必要な水素の生成とアーク炉の運転の両方において、このプロセスが信じられないほどエネルギーを大量に消費することです。 そのエネルギーのコストが経済的に困難をもたらします。 これは、鉱石がすでに入手されており、比較的純度が高いため、処理コストが低いことで部分的に相殺されます。

しかし、この装置の主な特徴は、炭素排出量が非常に低いことです。 現在、ほとんどの国ではこれらの製品に価格が設定されていないため、このプロセスの経済性がはるかに困難になっています。

自然、2024 年。DOI: 10.1038/s41586-023-06901-z （デジタルIDについて）。