Использование стали в различных сферах, начиная от зданий и мостов, и заканчивая автомобилями и бытовой техникой, играет ключевую роль в современном обществе. Одновременно производство стали является одним из крупнейших источников выбросов углекислого газа в мире. Это связано в первую очередь с традиционным способом добычи железа из руды с использованием доменных печей, работающих на угле. В условиях растущего мирового спроса на сталь, поиск более экологически чистых методов производства становится критически важным. Это необходимо не только для достижения климатических целей, но и для обеспечения устойчивого будущего промышленности.
Исследователи сейчас активно изучают область электрохимии с целью пересмотреть процесс производства ключевого компонента стали - железа.
Новый метод, в отличие от использования высокотемпературных печей на ископаемом топливе, основан на использовании электричества для получения чистого железа из оксида железа при намного более низких температурах и с минимальным количеством выбросов.
Этот перспективный шаг в направлении более экологичной сталелитейной промышленности может способствовать уменьшению загрязнения окружающей среды без ущерба для эффективности производства или прибыльности.
Химик Пол Кемплер и его коллеги из Университета Орегона работают над созданием электрохимического процесса, который преобразует оксид железа и солёную воду в чистое железо, а также производит хлор, который имеет высокую коммерческую ценность. Их метод может значительно уменьшить негативное воздействие на окружающую среду, сравнимое со старыми способами производства железа, и в будущем стать конкурентоспособным по стоимости в сравнении с современными методами, требующими большого количества углерода. В прошлом году исследователи продемонстрировали успешное превращение оксида железа в железо с помощью электрохимического процесса в лабораторных условиях.
Исследователям было необходимо определить, какие типы природных оксидов железа наилучшим образом подходят для проведения низкотемпературных реакций, чтобы приблизить свой процесс к реальным условиям промышленности, учитывая, что реальные железные руды гораздо более сложны, чем использованные ранее очищенные материалы. Кемплер отметил, что у них есть химический принцип, который поможет определить доступные и недорогие оксиды железа для использования в реакторах.
Исследование проведенное научным сотрудником Аной Коноваловой и аспирантом Эндрю Голдманом показало, что форма превосходит размер. Результаты исследования демонстрировали влияние формы и структуры частиц оксида железа на процесс производства железа. Специалисты создали частицы с различной внутренней архитектурой - пористые и плотные с аналогичным составом. Они пришли к выводу, что пористые частицы с более большой внутренней площадью поверхности обеспечивают более быстрое и эффективное производство железа. В то время как плотные частицы замедляют процесс и ограничивают производство железа.
Для бизнеса важно обеспечить эффективность производства. Огромные электрохимические установки требуют значительных вложений, и чем быстрее они работают, тем быстрее окупаются. Голдман отметил, что использование пористых частиц позволяет быстро производить железо на небольшой площади. Плотные частицы не способны обеспечить такую же скорость, поэтому ограничения по объему производства железа на квадратный метр электродов. Команда провела расчеты и установила, что производство железа с использованием пористых частиц обойдется менее чем в 600 долларов за тонну, что конкурентно способам традиционной выплавки железа.
Сотрудничество с инженерами-строителями из Университета штата Орегон и компанией по производству электродов помогает ускорить переход от лаборатории к промышленности. Этот процесс может быть ещё более усовершенствован с дальнейшим развитием конструкции электродов и пористых материалов для сырья.