By 
Виробництво заліза може стояти на порозі великого оновлення. Науковці розробили чистіший електрохімічний метод добування заліза, який одного дня може стати конкурентом традиційним доменним печам за вартістю, водночас значно зменшуючи забруднення. Шляхом модифікації частинок оксиду заліза та оптимізації електричних умов, команда досягла ефективного виробництва металу при низькій температурі — це відкриває шлях до екологічнішого виробництва сталі в промислових масштабах.
Новий погляд на виробництво заліза за допомогою електрохімії
Залізо та його сплави, такі як сталь і чавун, є ключовими для сучасної інфраструктури та промисловості, і світовий попит на них продовжує зростати. Традиційно залізо добувається з руди у доменних печах — процес, що потребує великих обсягів енергії та спричиняє значне забруднення повітря.
Але тепер, як повідомляється сьогодні (9 квітня) в ACS Energy Letters, дослідники розробили чистішу альтернативу. Використовуючи електрохімію для вилучення заліза з синтетичної залізної руди, їхній метод потенційно може стати настільки ж ефективним і економічним, як і доменні печі.
«Визначення оксидів, які можна перетворити на металеве залізо при низьких температурах — це важливий крок до повної електрифікації процесів сталеваріння», — каже Пол Кемплер, відповідальний автор дослідження.
Як працює електрохімічний процес
У цьому підході електричний струм проходить через рідину, що містить залізовмісні матеріали, ізолюючи метал без потреби у надвисоких температурах. Цей метод може суттєво знизити викиди, зокрема парникові гази, діоксид сірки та тверді частинки, а також підвищити енергоефективність.
У попередніх дослідженнях команда Кемплера продемонструвала, що тверді частинки оксиду заліза (Fe₂O₃) можна відновити до чистого заліза в розчині гідроксиду натрію при порівняно низьких температурах (80–90°C). Проте природні залізні руди, зазвичай щільні, нерегулярні й наповнені домішками, створювали проблеми для цього методу.
Щоб подолати ці обмеження, Кемплер об’єднав зусилля з Анастасією Коноваловою та Ендрю Голдманом, щоб дослідити, які саме матеріали, подібні до залізної руди, краще підходять для масштабного застосування цього чистішого процесу.
Модифікація оксиду заліза для кращого результату
Спершу дослідники підготували частинки оксиду заліза з великою площею поверхні, внутрішніми порами та сполученими каналами, щоб вивчити, як наномасштабна морфологія впливає на електрохімічну реакцію. Потім вони перетворили частину цих частинок на мікронні структури, схожі на природну руду. Вони містили лише незначні домішки, такі як вуглець і барій.
Команда також спроєктувала спеціальний катод для витягування заліза з розчину гідроксиду натрію, що містить ці частинки.
У ході експериментів найефективніше відновлення щільних оксидів заліза до металевого стану спостерігалося при густині струму 50 мА/см² — це порівняно з режимом швидкої зарядки літій-іонних батарей. Одночасно, більш пористі частинки з більшою площею поверхні сприяли ще більш ефективному електрохімічному добуванню заліза, ніж ті, що імітували менш пористу гематитову руду.
Ефективність, вартість і перспективи
Дослідники оцінили потенційну вартість електрохімічного методу добування заліза. За умов густини струму, використаної в експериментах, виробництво заліза коштувало б менше ніж $600 за тонну (або $0.60 за кілограм), що відповідає вартості традиційного способу.
Дослідження також показало, що при використанні частинок із нанопористістю можна досягти набагато вищої густини струму — до 600 мА/см², що відповідає промисловим електролізним елементам. Для комерційного впровадження цієї технології знадобляться подальші вдосконалення в дизайні електролізних комірок і методах підвищення пористості оксиду заліза.
Comments