Khi nói đến tính bền vững và thép xanh, mọi người đều nói về hydro. Nhưng các phương tiện lưu trữ và vận chuyển hydro hiện tại yêu cầu áp suất cao và nhiệt độ thấp, gây tốn kém cả về năng lượng và kinh tế. Amoniac được biết đến là chất mang hydro tốt. Yan Ma và các đồng nghiệp cho thấy rằng amoniac không chỉ có thể được sử dụng để mang hydro mà còn dùng để khử trực tiếp sắt, làm cho amoniac trở thành cnadidate dạng lọ để khắc phục những thiếu sót của hydro.
Sản xuất thép hiện là nguyên nhân lớn nhất gây ra sự nóng lên toàn cầu, chịu trách nhiệm cho ca. 7% lượng khí thải CO2 toàn cầu . Để cắt giảm lượng khí thải này, các nhà khoa học và ngành công nghiệp đang nghiên cứu chuyên sâu về sản xuất sắt dựa trên hydrophương pháp tiếp cận như con đường bền vững để thay thế chất khử carbon. Mặc dù việc khử trực tiếp quặng sắt dựa trên hydro đang hứa hẹn, nhưng các nhà nghiên cứu đang phải đối mặt với một thách thức lớn: để làm cho toàn bộ quy trình sản xuất thép trở nên thân thiện với môi trường, năng lượng đã sử dụng và bản thân hydro phải được sản xuất theo cách bền vững. Nhưng thị trường đang thiếu hydro xanh và các phương tiện lưu trữ và vận chuyển hydro hiện tại yêu cầu áp suất cao và nhiệt độ thấp, gây tốn kém cả về năng lượng và kinh tế. Các nhà nghiên cứu của Max-Planck-Institut für Eisenforschung (MPIE) đã giải quyết thách thức này bằng cách sử dụng amoniac làm chất mang hydro và chất khử cho sắt. Họ đã so sánh sắt và thép được sản xuất bằng phương pháp khử trực tiếp dựa trên amoniac với phương pháp khử trực tiếp dựa trên hydro, phân tích các đặc điểm của quy trình mới và chi phí, đồng thời công bố kết quả của họ trên tạp chí Khoa học nâng cao.
Amoniac là chất khử trực tiếp mang lại một số lợi thế
Ngành thép trong tương lai triển khai năng lượng tái tạo không liên tục qua trung gian amoniac xanh.
© T. You, Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH
Lượng hydro ngày càng tăng là cần thiết trên toàn thế giới, nhưng việc lưu trữ và vận chuyển hydro rất phức tạp: nó phải được lưu trữ ở nhiệt độ rất thấp hoặc áp suất cao do mật độ năng lượng thể tích thấp. Những điều này có nghĩa là tiêu tốn 30% năng lượng hóa học thể hiện mà hydro cung cấp. Ngược lại, amoniac đã được giao dịch trên toàn thế giới với dịch vụ hậu cần được thiết lập và được biết đến là chất vận chuyển hydro tuyệt vời với chi phí hóa lỏng thấp. “Mục đích của chúng tôi là nghiên cứu xem liệu amoniac có thể được sử dụng trực tiếp để khử quặng sắt mà không bẻ gãy nó thành hydro và nitơ hay không. Tránh quá trình bẻ khóa này có thể giảm 18% tổng chi phí. Hơn nữa, chúng tôi đã phân tích xem amoniac với vai trò là chất khử ảnh hưởng như thế nào đến tính chất của sắt đã khử”, Tiến sĩ Yan Ma, trưởng nhóm tại MPIE và là tác giả đầu tiên của ấn phẩm giải thích. Các nhà khoa học đã đưa amoniac vào một lò phản ứng quy mô phòng thí nghiệm, nơi quặng sắt được khử thành cái gọi là sắt xốp. Trong quá trình này, phép đo nhiệt trọng lượng kết hợp với phép đo khối phổ đã đo trọng lượng và thành phần khí cho thấy mức độ khử và sự khởi đầu của quá trình phân hủy amoniac. “Quá trình khử trực tiếp dựa trên amoniac diễn ra thông qua phản ứng tự xúc tác. Chúng tôi đã so sánh động học của nó với quá trình khử trực tiếp dựa trên hydro. Cả hai đều có đặc điểm tương tự và mang lại Chúng tôi đã so sánh động học của nó với quá trình khử trực tiếp dựa trên hydro. Cả hai đều có đặc điểm tương tự và mang lại Chúng tôi đã so sánh động học của nó với quá trình khử trực tiếp dựa trên hydro. Cả hai đều có đặc điểm tương tự và mang lạicùng mức độ kim loại hóa . Trái ngược với quá trình khử dựa trên hydro, nitrua hình thành trong quá trình làm mát bằng amoniac, có thể bảo vệ sắt xốp khỏi bị ăn mòn và giúp xử lý dễ dàng hơn”, Ma giải thích. Giai đoạn nitrua có thể được hòa tan và loại bỏ hoàn toàn trong quá trình nấu chảy tiếp theo, quá trình này vẫn cần thiết cho quá trình xử lý tiếp theo. Ngoài ra, sản phẩm khác của quá trình phân hủy amoniac, nitơ, có thể đóng vai trò là chất mang nhiệt trong lò nung trục để duy trì nhiệt độ phản ứng và nâng cao hiệu quả cho quá trình khử quặng sắt.
Triển vọng: tổng hợp Amoniac xanh và điều chỉnh quá trình khử sắt
Việc giảm thiểu trực tiếp dựa trên amoniac kết nối hai trong số các ngành công nghiệp sử dụng nhiều CO2 nhất , sản xuất thép và amoniac, đồng thời mở đường cho quá trình chuyển đổi bền vững cùng nhau. Hơn nữa, bằng cách sử dụng amoniac, các nhược điểm về hậu cần và năng lượng của hydro được khắc phục và các công nghệ lò hiện có, cụ thể là lò trục và lò hồ quang điện có thể được sử dụng mà chỉ cần sửa đổi một chút. Trong bước tiếp theo, nhóm Max Planck sẽ kiểm tra các thông số quy trình khác nhau như nhiệt độ hoặc hỗn hợp khí để đẩy nhanh quá trình khử dựa trên amoniac cho ứng dụng công nghiệp rộng rãi.
Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Khoản tài trợ nâng cao của Hội đồng nghiên cứu châu Âu dành cho Giáo sư Dierk Raabe, giám đốc tại MPIE, và khoản tài trợ dành cho Yan Ma được tài trợ bởi Chương trình Walter Benjamin.
Tác giả: Yasmin Ahmed Salem
