I rifiuti minerari di alluminio possono essere una fonte di acciaio verde

Anche i minerali che costituiscono la base della società moderna causano una serie di problemi. Separare i metalli che desideriamo da altri metalli spesso richiede un dispendio energetico elevato e può lasciare dietro di sé grandi quantità di rifiuti tossici. Ottenerlo in forma pura può spesso richiedere un secondo e significativo apporto di energia, che aumenta le emissioni di carbonio associate.

Un team di ricercatori tedeschi ha ora capito come affrontare alcuni di questi problemi per una classe specifica di rifiuti minerari generati durante la produzione di alluminio. Il loro metodo si basa sull’idrogeno e sull’elettricità, che possono essere ottenuti da energia rinnovabile ed estraendo ferro ed eventualmente altri metalli dai rifiuti. Ciò che rimane può essere ancora tossico ma non dannoso per l’ambiente.

Esci dal fango

Il primo passo nella produzione dell'alluminio è isolare l'ossido di alluminio da altri materiali presenti nel minerale. Questo lascia una sostanza nota come argilla rossa; Si stima che ogni anno ne vengano prodotte circa 200 milioni di tonnellate. Sebbene il colore rosso derivi dagli ossidi di ferro presenti, contiene molte altre sostanze, alcune delle quali possono essere tossiche. Il processo di isolamento dell'ossido di alluminio lascia il materiale con un pH molto basico.

Tutte queste caratteristiche fanno sì che l’argilla rossa generalmente non possa (o almeno non debba) essere reimmessa nell’ambiente. Viene generalmente tenuto in stagni di contenimento, che si stima contengano 4 miliardi di tonnellate di argilla rossa a livello globale, e diversi stagni di contenimento sono esplosi nel corso degli anni.

In alcune località gli ossidi di ferro possono rappresentare più della metà del peso dell’argilla rossa, rendendola una buona fonte di ferro. I metodi tradizionali lavoravano i minerali di ferro facendoli reagire con il carbonio, rilasciando anidride carbonica. Ma ci sono stati sforzi per sviluppare la produzione di “acciaio verde” in cui questa fase è sostituita da una reazione con l’idrogeno, lasciando l’acqua come sottoprodotto primario. Poiché l’idrogeno può essere prodotto dall’acqua utilizzando elettricità rinnovabile, questo ha il potenziale per eliminare gran parte delle emissioni di carbonio associate alla produzione di ferro.

Il team tedesco ha deciso di testare il metodo per produrre acciaio verde su argilla rossa. Hanno riscaldato alcuni materiali Forno elettrico ad arco Sotto un'atmosfera composta principalmente da argon (che non reagisce con nulla) e idrogeno (il 10% della miscela).

Pompare (fuori) il ferro

La reazione è stata straordinariamente rapida. Nel giro di pochi minuti nella miscela iniziarono ad apparire noduli di ferro metallico. La produzione del ferro è in gran parte completa in circa 10 minuti. Il ferro era notevolmente puro, essendo circa il 98% in peso del materiale nei noduli ferro.

Ha iniziato il processo con un campione di argilla rossa da 15 grammi, quindi lo ha ridotto a 8,8 grammi, poiché la maggior parte dell'ossigeno nel materiale veniva rilasciato sotto forma di acqua. (Vale la pena notare che quest'acqua può essere riciclata per produrre idrogeno, chiudendo il ciclo su questo aspetto del processo.) Degli 8,8 grammi, circa 2,6 (30%) erano sotto forma di ferro.

La ricerca ha scoperto che nella miscela si erano formati anche alcuni piccoli pezzi di titanio relativamente puro. Pertanto, esiste l’opportunità di utilizzarlo per produrre metalli aggiuntivi, anche se probabilmente il processo necessita di essere migliorato per aumentare la produzione di qualcosa di diverso dal ferro.

La buona notizia è che non c'è molta argilla rossa di cui preoccuparsi dopo. A seconda della fonte del minerale originale contenente alluminio, parte di questo può includere concentrazioni relativamente elevate di materiali preziosi, come i metalli delle terre rare. Lo svantaggio è che eventuali tossine nella materia prima originale saranno significativamente più concentrate.

Come piccolo vantaggio, il processo neutralizza anche il pH dei residui rimanenti. Quindi c'è almeno una cosa in meno di cui preoccuparsi.

Lo svantaggio è che il processo è incredibilmente dispendioso in termini energetici, sia per produrre l’idrogeno richiesto che per far funzionare il forno ad arco. Il costo di quell’energia rende le cose economicamente difficili. Ciò è in parte compensato dai minori costi di lavorazione, poiché il minerale è già stato ottenuto ed è di purezza relativamente elevata.

Ma la caratteristica principale di questo è la sua bassissima emissione di carbonio. Attualmente nella maggior parte dei paesi non esiste alcun prezzo per questi prodotti, il che rende molto più difficile l’economia di questo processo.

Natura, 2024. DOI: 10.1038/s41586-023-06901-z (Informazioni sugli ID digitali).