تولید آهن به روش الکترولیز

به گزارش می‌متالز، الکترولیز تکنیکی است که از جریان الکتریکی مستقیم برای جداسازی برخی از ترکیبات شیمیایی به اجزای تشکیل‌دهنده آن‌ها استفاده می‌کند.

برای الکترولیز، الکتریسیته به یک آند و کاتد که در محلول شیمیایی الکترولیت غوطه‌ور است اعمال می‌شود. الکترولیز آب (H ۲ O) هیدروژن و اکسیژن تولید می‌کند، درحالی‌که الکترولیز اکسید آلومینیوم (Al ۲ O ۳)، آلومینیوم فلزی و اکسیژن تولید می‌کند.

الکترولیز در تولید آهن

دو راه بالقوه برای جداسازی آهن فلزی از اکسیژنی که در سنگ‌آهن به آن متصل شده است وجود دارد. یکی از طریق استفاده از احیاکننده‌های شیمیایی مانند هیدروژن و کربن یا از طریق استفاده از فرایند‌های الکتروشیمیایی که از انرژی الکتریکی برای احیای سنگ‌آهن استفاده می‌کنند. در الکترولیز، سنگ‌آهن در محلول نمک‌های مذاب اکسید سیلیسیم و اکسید کلسیم در دمای ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد حل می‌شود و جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند. یون‌های اکسیژن با بار منفی به آند با بار مثبت مهاجرت می‌کنند و حباب اکسیژن آزاد می‌شود. یون‌های آهن با بار مثبت به کاتد دارای بار منفی مهاجرت می‌کنند و در آنجا به آهن عنصری کاهش می‌یابند. اگر برق مصرفی بدون کربن باشد، آهن بدون انتشار CO ۲ تولید می‌شود.

الکترولیز سنگ‌آهن در مقیاس آزمایشگاهی نشان داده است که آهن فلزی و اکسیژن به‌عنوان یک محصول جانبی تولید می‌شود.

وضعیت فعلی این روش

پروژه Siderwin که توسط ArcelorMittal هدایت می‌شود، به دنبال استفاده از الکترولیز در دمای پایین با استفاده از یک الکترولیت مبتنی بر آب است. این پروژه به TRL ۴ منتقل شده است و ArcelorMittal که توسط ۱۱ شریک نوآور اروپایی دیگر احاطه شده است، قصد دارد یک پایلوت آزمایشی جدید به طول ۳ متر توسعه دهد تا این فناوری را در TRL ۶ تأیید کند. کارخانه آزمایشی ULCWIN که برای تأیید امکان‌سنجی فناوری در TRL ۴ استفاده می‌شود، نمونه‌های آهن ۴ کیلوگرمی تولید کرده است.

تحقیقات انجام‌شده در دانشگاه MIT آمریکا منجر به تأسیس Boston Metal شد که اولین نمونه سلول مبتنی بر نمک مذاب با دمای بالا (۱۵۰۰ درجه سانتی‌گراد) را در سال ۲۰۱۴ راه‌اندازی کرد و درمجموع بیش از ۱ تن فلز تولید کرد. این شرکت در حال حاضر قصد دارد یک کارخانه در مقیاس آزمایشی بسازد.

فرصت‌ها و چالش‌ها

افزایش مقیاس:

در سال ۲۰۲۰، ۱۸۶۴ میلیون تن فولاد در سطح جهان تولید شد که یک کوره بلند معمولی قادر به تولید حدود ۲.۵ میلیون تن آهن در سال است. تا به امروز، بچ‌هایی از آهن برحسب کیلوگرم که با استفاده از الکترولیز ساخته شده‌اند تولید شده است و اگر قرار باشد الکترولیز نقش معناداری داشته باشد، به افزایش حجم در حدود ۸ مرتبه بزرگی مقیاس نیاز است.

در نقشه راه‌آهن و فولاد آژانس بین‌المللی انرژی اشاره شده است که فولادسازی از طریق الکترولیز به دلیل TRL نسبتاً پایین آن، در سناریوی توسعه پایدار گنجانده نشده است. بااین‌حال، با پیشرفت شتابان در نوآوری، می‌تواند در بلندمدت نقشی در فولادسازی پایدار داشته باشد.

مدل‌سازی آژانس بین‌المللی انرژی نشان می‌دهد که الکترولیز ۱۰۰ میلیون تن سنگ‌آهن می‌تواند تا سال ۲۰۵۰ قابل‌استفاده باشد.

در دسترس بودن انرژی:

ازآنجاکه الکترولیز هیچ CO ۲ تولید نمی‌کند، از نظر تئوری می‌تواند کربن صفر باشد، اما تنها درصورتی‌که الکتریسیته موردنیاز برای تأمین انرژی فرایند بدون ایجاد انتشار تولید شود و مصرف الکترود منجر به انتشار CO ۲ نشود.

افزایش قابل‌توجهی در ظرفیت تولید برق کم‌کربن برای استفاده در آهن‌سازی مبتنی بر الکترولیز در مقیاس بزرگ موردنیاز است.

بوستون متالز ۴ مگاوات ساعت تن فولاد را هدف‌گذاری کرده است. اگر قرار باشد این امر محقق شود و سناریوی ۱۰۰ میلیون تنی آژانس بین‌المللی انرژی رخ دهد، باید از ۴۶ گیگاوات ظرفیت تولید برق کم‌کربن پشتیبانی شود که معادل ۵۵۰۰ توربین بادی فراساحلی قدرتمند یا ۲۸ راکتور هسته‌ای ۱.۶ گیگاواتی است.

برخلاف آهنی که با استفاده از تکنیک‌های معمول آهن‌سازی تولید می‌شود، آهن الکترولیز شده از نظر شیمیایی خالص است و عملاً از ۱۰۰درصد آهن تشکیل شده است. آهن کوره بلند (فلز داغ) معمولاً تا ۵ درصد کربن دارد و حاوی تعدادی ناخالصی است (معمولاً ۶/۰ تا ۸/۰ درصد سیلیسیم، ۰۳/۰ درصد گوگرد، ۷/۰ تا ۸/۰ درصد منگنز و ۱۵/۰ درصد فسفر) که باید در مراحل اولیه و ثانویه فولادسازی تصفیه شوند تا سطح مناسب برای درجه نهایی به دست آید.

آهن الکترولیز شده بسیار خالص است و عناصر آلیاژی (ازجمله کربن) برای دست‌یابی به خواص مطلوب باید به آن اضافه شود. این امر می‌تواند یک مزیت برای امکان کنترل بسیار دقیق شیمی فولاد نهایی باشد.

منبع: پایگاه خبری - تحلیلی ایراسین