Thép xanh từ bùn đỏ độc hại – Có thể sử dụng quy trình kinh tế với hydro xanh để tách sắt không chứa CO2 từ bùn đỏ sinh ra trong sản xuất nhôm

Thép xanh từ bùn đỏ độc hại – Có thể sử dụng quy trình kinh tế với hydro xanh để tách sắt không chứa CO2 từ bùn đỏ sinh ra trong sản xuất nhôm

Thép xanh từ bùn đỏ độc hại – Một quy trình kinh tế với hydro xanh có thể được sử dụng để tách sắt không chứa CO2 từ bùn đỏ tạo ra trong sản xuất nhôm.

Việc sản xuất nhôm tạo ra khoảng 180 triệu tấn bùn đỏ độc hại mỗi năm. Các nhà khoa học tại Max-Planck-Institut für Eisenforschung, một trung tâm nghiên cứu về sắt, hiện đã chỉ ra cách sản xuất thép xanh từ chất thải sản xuất nhôm theo cách tương đối đơn giản. Trong lò hồ quang điện tương tự như lò được sử dụng trong ngành thép trong nhiều thập kỷ, họ chuyển đổi oxit sắt có trong bùn đỏ thành sắt bằng plasma hydro. Với quy trình này, gần 700 triệu tấn thép không chứa CO2 có thể được sản xuất từ 4 tỷ tấn bùn đỏ tích tụ trên toàn thế giới cho đến nay - tương ứng với 1/3 sản lượng thép hàng năm trên toàn thế giới. Và như nhóm Max Planck cho thấy, quy trình này cũng sẽ có hiệu quả về mặt kinh tế.

Theo dự báo, nhu cầu về thép và nhôm sẽ tăng tới 60% vào năm 2050. Tuy nhiên, việc sản xuất các kim loại này theo cách thông thường có tác động đáng kể đến môi trường. 8% lượng khí thải CO2 toàn cầu đến từ ngành thép, khiến ngành này trở thành ngành có lượng phát thải khí nhà kính cao nhất. Trong khi đó, ngành công nghiệp nhôm sản xuất khoảng 180 triệu tấn bùn đỏ mỗi năm, có tính kiềm cao và chứa dấu vết của kim loại nặng như crom. Ở Úc, Brazil và Trung Quốc, cùng với những nước khác, chất thải này tốt nhất nên được sấy khô và xử lý tại các bãi chôn lấp khổng lồ, dẫn đến chi phí xử lý cao. Khi trời mưa lớn, bùn đỏ thường bị cuốn trôi ra khỏi bãi rác, khi khô đi, gió có thể thổi bay ra môi trường dưới dạng bụi. Ngoài ra, bùn đỏ có tính kiềm cao ăn mòn các bức tường bê tông của bãi chôn lấp, dẫn đến rò rỉ bùn đỏ và đã nhiều lần gây ra thảm họa môi trường, ví dụ như ở Trung Quốc vào năm 2012 và ở Hungary vào năm 2010. Ngoài ra, một lượng lớn bùn đỏ bùn cũng được xử lý đơn giản trong tự nhiên.

Tiềm năng tiết kiệm 1,5 tỷ tấn CO2 trong ngành thép
Matic Jovičevič-Klug, người đóng vai trò quan trọng trong công việc này với tư cách là nhà khoa học tại Max-Planck-Institut für Eisenforschung. Trong một nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature, nhóm nghiên cứu cho thấy bùn đỏ có thể được sử dụng làm nguyên liệu thô trong ngành thép như thế nào, cho biết:

Quy trình của chúng tôi có thể đồng thời giải quyết vấn đề lãng phí trong sản xuất nhôm và cải thiện lượng khí thải carbon của ngành thép.

Điều này là do chất thải từ quá trình sản xuất nhôm có tới 60% oxit sắt. Các nhà khoa học Max Planck làm tan chảy bùn đỏ trong lò hồ quang điện và đồng thời khử oxit sắt chứa trong thành sắt bằng cách sử dụng plasma chứa 10% hydro. Quá trình biến đổi, được gọi theo thuật ngữ kỹ thuật là sự khử plasma, chỉ mất mười phút, trong đó sắt lỏng tách ra khỏi oxit lỏng và sau đó có thể được chiết xuất dễ dàng. Sắt nguyên chất đến mức có thể được gia công trực tiếp thành thép.

Các oxit kim loại còn lại không còn bị ăn mòn và đông cứng lại khi làm mát để tạo thành vật liệu giống như thủy tinh, có thể được sử dụng làm vật liệu trám trong ngành xây dựng chẳng hạn. Các nhóm nghiên cứu khác đã sản xuất sắt từ bùn đỏ bằng cách sử dụng phương pháp tương tự với than cốc, nhưng cách này tạo ra sắt bị ô nhiễm nặng và lượng lớn CO2. Sử dụng hydro xanh làm chất khử sẽ tránh được lượng khí thải nhà kính này. Isnaldi Souza Filho, Trưởng nhóm nghiên cứu cho biết: “Nếu hydro xanh được sử dụng để sản xuất sắt từ 4 tỷ tấn bùn đỏ được tạo ra trong quá trình sản xuất nhôm toàn cầu cho đến nay, thì ngành thép có thể tiết kiệm gần 1,5 tỷ tấn CO2”. tại Max-Planck-Institut für Eisenforschung.

Một quy trình kinh tế, bao gồm cả hydro và điện xanh
Các kim loại nặng trong bùn đỏ cũng có thể được trung hòa hầu như bằng quy trình này.

Matic Jovičevič-Klug, đã nói:

“Sau khi khử, chúng tôi đã phát hiện thấy crom trong sắt,”

“Các kim loại nặng và quý khác cũng có khả năng đi vào sắt hoặc vào một khu vực riêng. Đó là điều chúng tôi sẽ điều tra trong các nghiên cứu tiếp theo. Các kim loại có giá trị sau đó có thể được tách ra và tái sử dụng.” Và các kim loại nặng còn sót lại trong các oxit kim loại sẽ liên kết chặt chẽ bên trong chúng và không thể bị rửa trôi bằng nước nữa, như trường hợp bùn đỏ.

Tuy nhiên, sản xuất sắt từ bùn đỏ trực tiếp bằng hydro không chỉ mang lại lợi ích gấp đôi cho môi trường; nó cũng mang lại lợi ích về mặt kinh tế, như nhóm nghiên cứu đã chứng minh trong phân tích chi phí. Với hydro và hỗn hợp điện cho lò điện hồ quang chỉ từ các nguồn tái tạo một phần, quá trình này rất đáng giá nếu bùn đỏ chứa 50% oxit sắt trở lên. Nếu tính cả chi phí xử lý bùn đỏ thì chỉ có 35% oxit sắt được sử dụng đủ để làm cho quá trình này trở nên kinh tế. Với hydro và điện xanh, với chi phí ngày nay – cũng tính đến chi phí chôn lấp bùn đỏ – cần có tỷ lệ 30 đến 40% oxit sắt để sắt thu được có thể cạnh tranh trên thị trường.

Isnaldi Souza Filho đã nói:

Đây là những ước tính thận trọng vì chi phí xử lý bùn đỏ có thể được tính toán khá thấp.

Và còn có một lợi thế khác xét từ quan điểm thực tế: lò hồ quang điện được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp kim loại – bao gồm cả trong các lò luyện nhôm – vì chúng được sử dụng để nấu chảy kim loại phế liệu. Do đó, trong nhiều trường hợp, ngành này chỉ cần đầu tư một chút để trở nên bền vững hơn.

Dierk Raabe, Giám đốc Viện Max-Planck für Eisenforschung, cho biết:

Điều quan trọng đối với chúng tôi là phải xem xét các khía cạnh kinh tế trong nghiên cứu của mình.

“Bây giờ, ngành công nghiệp phải quyết định xem liệu họ có sử dụng quá trình khử bùn đỏ thành sắt bằng plasma hay không.”