Aluminiummijnafval kan een bron van groen staal zijn

Mineralen die de basis vormen van de moderne samenleving veroorzaken ook een aantal problemen. Het scheiden van de gewenste metalen van andere metalen is vaak energie-intensief en kan grote hoeveelheden giftig afval achterlaten. Om het in zuivere vorm te verkrijgen kan vaak een tweede en aanzienlijke energie-input nodig zijn, waardoor de daarmee gepaard gaande CO2-uitstoot toeneemt.

Een team van onderzoekers uit Duitsland heeft nu ontdekt hoe ze met een aantal van deze problemen kunnen omgaan voor een specifieke klasse mijnbouwafval die ontstaat tijdens de aluminiumproductie. Hun methode is gebaseerd op waterstof en elektriciteit, die kunnen worden verkregen uit hernieuwbare energie en het winnen van ijzer en mogelijk andere metalen uit afval. Wat overblijft kan nog steeds giftig zijn, maar is niet schadelijk voor het milieu.

Kom uit de modder

De eerste stap bij de productie van aluminium is het isoleren van het aluminiumoxide van andere materialen in het erts. Hierdoor blijft een substantie achter die bekend staat als rode klei; Er wordt geschat dat er jaarlijks ongeveer 200 miljoen ton wordt geproduceerd. Hoewel de rode kleur afkomstig is van de aanwezige ijzeroxiden, bevat deze veel andere stoffen, waarvan sommige giftig kunnen zijn. Door het proces van het isoleren van aluminiumoxide blijft het materiaal achter met een zeer basische pH.

Al deze kenmerken zorgen ervoor dat rode klei over het algemeen niet (of in ieder geval niet mag) worden teruggegeven aan het milieu. Het wordt over het algemeen bewaard in opvangvijvers, die naar schatting wereldwijd 4 miljard ton rode klei bevatten, en verschillende opvangvijvers zijn in de loop der jaren geëxplodeerd.

IJzeroxiden kunnen op sommige locaties meer dan de helft van het gewicht van rode klei uitmaken, waardoor het een goede bron van ijzer is. Traditionele methoden verwerkten ijzererts door ze te laten reageren met koolstof, waarbij koolstofdioxide vrijkwam. Maar er zijn pogingen ondernomen om de productie van “groen staal” te ontwikkelen, waarbij deze stap wordt vervangen door een reactie met waterstof, waarbij water als voornaamste bijproduct overblijft. Omdat waterstof uit water kan worden gemaakt met behulp van hernieuwbare elektriciteit, heeft dit het potentieel om een ​​groot deel van de koolstofemissies die gepaard gaan met de ijzerproductie te elimineren.

Het Duitse team besloot de methode voor het produceren van groen staal op rode klei te testen. Ze verhitten wat materialen Vlamboogoven Onder een atmosfeer die voornamelijk bestond uit argon (dat nergens mee reageert) en waterstof (10 procent van het mengsel).

Ijzer wegpompen

De reactie was opmerkelijk snel. Binnen een paar minuten begonnen er metaalachtige ijzerknobbeltjes in het mengsel te verschijnen. De ijzerproductie is in ongeveer 10 minuten grotendeels voltooid. Het ijzer was opmerkelijk zuiver, waarbij ongeveer 98 procent van het gewicht van het materiaal in de knobbeltjes uit ijzer bestond.

Ze startte het proces met een monster rode klei van 15 gram en reduceerde dit vervolgens tot 8,8 gram, omdat veel van de zuurstof in het materiaal als water vrijkwam. (Het is vermeldenswaard dat dit water kan worden gerecycled om waterstof te produceren, waardoor de kringloop op dit aspect van het proces wordt gesloten.) Van de 8,8 gram was ongeveer 2,6 gram (30 procent) in de vorm van ijzer.

Uit het onderzoek bleek dat er ook enkele kleine stukjes relatief zuiver titanium in het mengsel waren gevormd. Daarom is er een mogelijkheid om dit te gebruiken om extra metalen te produceren, hoewel het proces waarschijnlijk moet worden verbeterd om de productie van iets anders dan ijzer te verhogen.

Het goede nieuws is dat er daarna niet veel rode klei meer is om je zorgen over te maken. Afhankelijk van de bron van het oorspronkelijke aluminiumhoudende erts kan een deel hiervan relatief hoge concentraties waardevolle materialen bevatten, zoals zeldzame aardmetalen. Het nadeel is dat eventuele gifstoffen in de oorspronkelijke grondstof aanzienlijk geconcentreerder zullen zijn.

Als klein pluspunt neutraliseert het proces ook de pH van het resterende residu. Dat is dus in ieder geval een zorg minder.

Het nadeel is dat het proces ontzettend energie-intensief is, zowel bij de productie van de benodigde waterstof als bij het laten werken van de boogoven. De kosten van die energie maken het economisch moeilijk. Dit wordt deels gecompenseerd door lagere verwerkingskosten, omdat het erts al is gewonnen en een relatief hoge zuiverheid heeft.

Maar het belangrijkste kenmerk hiervan is de extreem lage CO2-uitstoot. Momenteel is er in de meeste landen geen prijs voor deze producten, wat de economische aspecten van dit proces veel moeilijker maakt.

Natuur, 2024. DOI: 10.1038/s41586-023-06901-z (Over digitale ID's).