24 de enero de 2024.- Presentan método para producir acero verde a partir de barro rojo mediante reducción de plasma de hidrógeno climáticamente neutra.
El lodo rojo es el desperdicio del refinamiento de la bauxita para convertirla en alúmina, la materia prima para la producción de aluminio 1 . Con alrededor de 180 millones de toneladas producidas por año 1 , el lodo rojo se ha convertido en uno de los mayores productos de desecho ambientalmente peligrosos, con la asombrosa cantidad de 4 mil millones de toneladas acumuladas a escala global 1 . Aquí presentamos cómo este lodo rojo puede convertirse en materia prima valiosa y sostenible para la fabricación de hierro mediante una reducción basada en plasma de hidrógeno libre de fósiles, mitigando así una parte de las emisiones de dióxido de carbono relacionadas con el acero al ponerlo a disposición para la producción de varios cientos de millones de toneladas de acero verde. El proceso avanza a través de una rápida reducción del estado líquido, partición química, así como separación impulsada por la densidad y la viscosidad entre metales y óxidos. Mostramos las reacciones químicas subyacentes, los procesos de neutralización del pH y las transformaciones de fase durante este método de reducción sorprendentemente simple y rápido. El enfoque establece un tratamiento sostenible de los residuos tóxicos de la producción de aluminio mediante el uso de lodo rojo como materia prima para mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero procedentes de la fabricación de acero.
Principal
El aluminio es el grupo de materiales producidos en masa de más rápido crecimiento 1 , un requisito previo para el diseño ligero de vehículos, contenedores y almacenes de alimentos, así como para estructuras de ingeniería civil. Su síntesis se basa en el refinamiento de un mineral mixto, llamado bauxita, hasta obtener alúmina mediante el proceso Bayer (Fig. 1a ), dejando como subproducto el coloquialmente denominado barro rojo 1 . También llamado lodo rojo o residuo de bauxita, este lodo altamente alcalino (pH 10-13) contiene una mezcla compleja de varios óxidos, trazas de metales valiosos (por ejemplo, Sc e Y), así como metales pesados potencialmente tóxicos (Cd, Cr). , V) 2 , 3 . Por lo tanto, el enorme crecimiento del mercado de aleaciones de aluminio se traduce en un rápido aumento de lodo rojo, que se acumula en un gigantesco stock mundial de 4 mil millones de toneladas 4 en la actualidad. Como subproducto no deseado, sólo el 3% de la cantidad producida anualmente se recicla, principalmente para la construcción, mediante costosos procesos de neutralización 5 . La mayor parte del lodo rojo normalmente se elimina simplemente en estanques de desechos extremadamente grandes montes secos o vertederos, o simplemente se vierte en la naturaleza abierta 5 , 6 . Esta práctica no sólo es muy costosa, ya que representa el 5% del valor total de la producción de aluminio 5 , sino que también causa catástrofes ambientales y humanitarias 7 graves y duraderas debido a un almacenamiento a menudo irresponsable.
Los lodos rojos son geográficamente muy diversos tanto en cantidad como en composición química, lo que también influye en su usabilidad y capacidad para extraer Fe mediante fundición carbotérmica (más detalles en la sección de información complementaria ‘Dependencia geográfica del lodo rojo y estado actual de la utilización de lodo rojo para la extracción de Fe’). ). Se han realizado varios intentos de sustituir las sustancias portadoras de C por hidrógeno en forma de moléculas (H 2 ) o plasma como agente reductor para extraer el hierro del lodo rojo evitando al mismo tiempo la producción de CO 2 8 , 9 . Uno de ellos propone el uso de un tratamiento de fusión con plasma de hidrógeno para refinar la bauxita y convertirla en alúmina, con la posibilidad de suprimir por completo la producción de lodo rojo 10 . Sin embargo, todas las posibilidades informadas en las refs. 8 , 9 , 10 inevitablemente requieren un preprocesamiento adicional del lodo rojo mediante tostado, molienda, peletización y separación magnética húmeda. Un procesamiento tan complejo hace que la valorización del lodo rojo sea financieramente poco atractiva y tampoco ayuda a eliminar las emisiones directas de CO 2 , ya que las etapas intermedias requieren tostado y peletización, procesos que están asociados con una alta huella de CO 2 . Por lo tanto, se requieren estrategias de un solo paso simples, innovadoras y neutras en carbono para procesar y neutralizar de manera sostenible el lodo rojo, mientras se extrae su valioso contenido para la fabricación posterior.
Reemplazar las sustancias reductoras basadas en carbono por especies de hidrógeno altamente energéticas contenidas en un plasma de hidrógeno es una vía energéticamente eficiente y parcialmente electrificada para extraer hierro verde de sus óxidos fundidos en un proceso de un solo paso 11 (particularmente si se utilizan hidrógeno verde y electricidad renovable). usado 12 ). Por lo tanto, existen enormes oportunidades para explotar aún más esta ruta emergente para transformar el lodo rojo en una materia prima sostenible para la producción limpia de hierro. Aquí mostramos que la exposición directa de lodo rojo a un plasma térmico pobre en hidrógeno (Ar-10%H 2 ) encendido en un horno de arco eléctrico (EAF) permite producir hierro líquido sin necesidad de ningún tratamiento previo del material de entrada ( Fig. 1c ), a diferencia de estudios anteriores 3 , 8 , 9 , 10 , 13 , 14 , que requieren un pretratamiento y un postratamiento de los materiales que consumen mucha energía.
Los aspectos de composición química y cristalografía del lodo rojo investigado están documentados en las figuras de datos ampliados. 1 y 2 y tablas de datos ampliados 1 y 2 . Mostramos que la vía de reducción impuesta por este simple procesamiento transforma el lodo rojo sólido en una fusión oxídica viscosa y compleja. Las zonas de óxido líquido que están enriquecidas en hierro se reducen preferentemente a un hierro líquido metálico menos viscoso, que se fusiona como nódulos dentro de la masa fundida sin reincorporar porciones líquidas oxídicas (Fig. 1d ). Esto significa que el hierro (utilizable directamente para la posterior producción de acero sin ningún refinamiento adicional; ver Fig. 1d ) se puede extraer del lodo rojo en un solo paso del proceso.
Desde una perspectiva cinética, este proceso aprovecha tanto la rápida difusividad de los elementos como la reactividad mejorada de un plasma reductor, al mismo tiempo que utiliza la densidad y la diferencia de masa entre los constituyentes para promover la partición de masa macroscópica que permite de manera confiable la separación del hierro de las porciones de óxido restantes. A continuación, mostramos en detalle cómo el lodo rojo puede servir como materia prima sostenible para la fabricación de hierro verde. Esto crea un nexo de sostenibilidad entre los dos mayores grupos de metales producidos en masa: el hierro y el aluminio. Este enfoque puede ayudar a resolver dos de los problemas medioambientales más acuciantes de nuestro tiempo: el uso de residuos de lodo rojo y la producción de hierro sin emisiones directas de CO 2 . Mostramos los mecanismos termodinámicos y cinéticos detallados y las vías de reacción que impulsan la cascada secuencial de las reacciones redox subyacentes que ocurren durante la reducción del lodo rojo con plasma de hidrógeno (consulte también la sección de información complementaria ‘Cálculos termodinámicos’). Nuestros hallazgos también brindan información sobre cómo explotar mejor el lodo rojo como un recurso económicamente viable y sostenible, en lugar de un costoso peligro ambiental.
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