تكنولوجيا جديدة لإنتاج الصلب من أخطر مخلفات الألومنيوم

طور الباحثون طريقة لاستخلاص الحديد عالي الجودة من “الطين الأحمر” المتكون مع إنتاج ألومنيوم، الذي يعتبر من أخطر النفايات على البيئة المسببة للتآكل والسامة، لإنتاج الصلب فيما بعد، وفقا لبحث أجراه معهد ماكس بلانك لأبحاث الحديد.

و”الطين الأحمر” يتكون مع إنتاج الألومنيوم، كمنتج ثانوي ضار، وتصل كميات إنتاجه إلى ما يصل لنحو 180 مليون طن سنويا.

كيف تتم العملية؟

وتعمل بلازما الهيدروجين على إذابة الطين ضمن عملية اختزال كيميائي، وبذلك تتحول أكاسيد الحديد إلى حديد نقي يمكن أن يستخدم في صناعة الصلب.

وبعد تلك العملية، تعالج الأكاسيد المتبقية حتى لا تصبح قابلة للتآكل.

تحويل الطين إلى الصلب

الحل الذي توصل إليه فريق MPIE يستخدم فرن القوس الكهربائي، المشابه لتلك المستخدمة بالفعل على نطاق واسع في صناعة الصلب.

إن تغذية الفرن بخليط خفيف من غاز الهيدروجين والأرجون، وإشعاله بتفريغ كهربائي بقوة 200 أمبير، يؤدي إلى إنشاء بلازما تحتوي على حوالي 10٪ هيدروجين.

تعمل هذه البلازما على إذابة الطين الأحمر داخل الفرن، وفي نفس الوقت تحويل أي أكسيد حديد إلى حديد معدني.

وتستغرق هذه العملية، المعروفة باسم اختزال البلازما، 10 دقائق فقط وتفصل بشكل فعال الحديد السائل عن الأكاسيد السائلة الأخرى.

وبعد تكرار الإجراء 6 مرات، تمكن الباحثون من استخراج 98% من الحد النظري من عينة الاختبار الخاصة بهم، أي ما يعادل 2.6 جرام من الحديد المعدني من 15 جراما من الطين الأحمر.

وقد وجد أن معدن الحديد الناتج نقي بدرجة كافية بحيث يمكن استخدامه على الفور في صناعة الصلب.

كما جعلت العملية الجديدة أكاسيد المعادن المتبقية في الطين الأحمر غير قابلة للتآكل.

وبعد تبريدها، تحولت إلى مادة تشبه الزجاج، والتي يقول الباحثون إنها يمكن استخدامها كمواد حشو في صناعة البناء.

وتم أيضًا تحييد المعادن الثقيلة الموجودة في الطين الأحمر بشكل فعال، وأصبحت مرتبطة بقوة إما داخل أكاسيد المعادن الأخرى أو كإضافة للحديد.

الآثار البيئية لصناعة الألومنيوم والصلب

يقول الباحثون إن التبني الواسع النطاق لعملية الاختزال الجديدة المعتمدة على بلازما الهيدروجين يمكن أن يساعد في تقليل التأثير البيئي لكل من صناعة الألومنيوم، وصناعة الصلب.

ويمكن أن يسهم ذلك النهج الجديد في تقليص انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنحو 1.5 مليار طن”، بحسب قائد مجموعة البحث في معهد ماكس بلانك.

ومن المتوقع أن تكون تلك العملية أفضل وأنجع على الصعيد الاقتصادي، فضلا عن قدرتها التنافسية في السوق في حال كان الطين الأحمر يحتوي على 35% من أكسيد الحديد، بحسب تكنولوجي نيتورك.

كميات هائلة من الطين الأحمر

ويتوقع أن تشهد صناعات الصلب والألومنيوم صعودا على مدار السنوات المقبلة، حيث تشير تقديرات المعهد الدولي للألمنيوم، إلى أن الطلب العالمي على الألومنيوم يمكن أن يزيد بنحو 40% بحلول عام 2030.

ومع ذلك، فإن الإنتاج التقليدي لهاتين المادتين له تأثير كبير على البيئة، وينتج إنتاج الصلب ما يصل إلى 8% من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون العالمية.

 ومن جانبها، تنتج صناعة الألمنيوم كميات هائلة من الطين الأحمر، وهو منتج ثانوي شديد القلوية لعملية باير المستخدمة لإنتاج الألومينا من الخام.

يتكون هذا الطين الأحمر في الغالب من أكاسيد معدنية مختلفة، ولكنه يحتوي أيضًا على آثار لمعادن ثقيلة خطيرة، وعادة ما يتم التخلص من هذه النفايات عن طريق تجفيفها، ومن ثم احتوائها في مواقع دفن النفايات الكبيرة.

ومن الممكن أثناء هطول الأمطار الغزيرة، غسل الطين الأحمر من مكب النفايات وتسربه إلى البيئة.

كما يمكن أن تبدأ طبيعته القلوية للغاية في مهاجمة الجدران الخرسانية لمدافن النفايات التي يحتوي عليها، مما يؤدي إلى كوارث بيئية واسعة النطاق عندما يتم اختراق الجدران، كما رأينا في حادث مصنع الألومنيوم الذي وقع بالقرب من مدينة آجكا المجرية في عام 2010.

ويحصل الطين الأحمر على لونه المميز من محتواه العالي من أكسيد الحديد.

ومن خلال معرفة ذلك، شرع الباحثون في اكتشاف ما إذا كانت هناك طريقة مجدية اقتصاديًا لسحب الحديد من الطين الأحمر، والتحايل على العمليات كثيفة ثاني أكسيد الكربون المستخدمة عادة في إنتاج الحديد، مع معالجة نفايات الألومنيوم أيضًا لجعلها أقل تآكلًا.

وقال الدكتور إنج، المؤلف الأول للدراسة: “عمليتنا يمكن أن تحل في الوقت نفسه مشكلة النفايات الناتجة عن إنتاج الألومنيوم وتحسين البصمة الكربونية لصناعة الصلب”.