معمایِ متالورژیِ سبز

به گزارش می‌متالز، نیکل به‌ عنوان یکی از فلزات حیاتی در گذار جهانی به سمت اقتصاد سبز و انرژی‌های تجدیدپذیر، نقش محوری در این زمینه ایفا می‌کند. این عنصر در تولید فولاد‌های پیشرفته ازجمله فولاد‌های زنگ نزن، باتری‌های لیتیوم-یون خودرو‌های الکتریکی، آلیاژ‌های پیشرفته برای توربین‌های بادی و فناوری‌های نوظهور کاربرد گسترده‌ای دارد. طبق گزارش‌های آژانس بین‌المللی انرژی (IEA)، تقاضای جهانی نیکل تا سال ۲۰۴۰ احتمالاً دو برابر خواهد شد و به بیش از ۵٫۷ میلیون تن در سال می‌رسد. این رشد عمدتاً ناشی از گسترش خودرو‌های الکتریکی و سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی است که بخش عمده‌ای از فناوری‌های پاک را تشکیل می‌دهند. بااین‌حال، تولید سنتی نیکل یکی از آلوده‌کننده‌ترین فرآیند‌های صنعتی به شمار می‌رود. عملاً تولید هر تن نیکل به‌طور متوسط حدود ۲۰ تن دی‌اکسید کربن منتشر می‌کند که این رقم حدود ۱۰ برابر انتشار کربن در تولید یک تن فولاد است. این مسئله تناقضی جدی ایجاد کرده است: استفاده از نیکل برای سبز کردن حمل‌ونقل و زیرساخت‌ها بار زیست‌محیطی سنگینی را به بخش صنعت متالورژی منتقل می‌کند و در واقع به‌جای آنکه مشکل را حل کند آن را جابه‌جا می‌کند.

بیش از ۶۰ درصد ذخایر نیکل جهان در سنگ‌های لاتریتی یا اکسیدی قرار دارند که عمدتاً در کشور‌های گرمسیری مانند اندونزی، فیلیپین و استرالیا یافت می‌شوند. این سنگ‌ها حاوی عیار پایینی از نیکل (معمولاً بین ۰٫۵ تا ۲ درصد) هستند و نیکل در ساختار‌های پیچیده سیلیکات‌های منیزیم، اکسید‌های آهن مانند گوتیت و گارنیریت پراکنده شده است. برخلاف سنگ‌های سولفیدی با عیار بالاتر که فرآوری نسبتاً ساده‌تری دارند، سنگ‌های لاتریتی به دلیل پیچیدگی معدنی، فرآوری دشوارتر، پرهزینه‌تر و پرآلاینده‌تری دارند. روش‌های سنتی استخراج شامل مراحل متعدد خشک‌کردن، کلسیناسیون در کوره‌های دوار، ذوب در کوره‌های قوس الکتریکی یا لیچینگ اسیدی تحت فشار بالا (HPAL) است. این فرآیند‌ها نه‌تنها بسیار انرژی‌بر هستند و تا صد‌ها گیگاژول انرژی در هر تن مصرف می‌کنند، بلکه سرانه انتشار گاز‌های گلخانه‌ای بالایی داشته و پسماند‌های سمی و سرباره‌های خطرناک به جا می‌گذارند که محیط‌زیست محلی را تهدید می‌کنند.

در این زمینه، پژوهشگران مؤسسه ماکس پلانک برای مواد پایدار (MPI-SusMat) در آلمان، روشی نوآورانه و انقلابی برای استحصال نیکل توسعه داده‌اند. نتایج این پژوهش در سال ۲۰۲۵ در مجله معتبر Nature منتشر شد و توجه جهانی را به خود جلب کرد. این روش با نام احیا ذوبی مبتنی بر پلاسمای هیدروژن یا (HPSR) شناخته می‌شود و تمام مراحل کلسیناسیون، ذوب، احیا و پالایش را در یک مرحله واحد و درون یک کوره قوس الکتریکی انجام می‌دهد. سنگ معدن خشک‌شده مستقیماً وارد کوره می‌شود و در اتمسفر آرگون-هیدروژن، تحت پلاسمای هیدروژن با گونه‌های فعال مانند اتم‌های هیدروژن، پروتون‌ها و رادیکال‌ها در دما‌های بالای ۲۵۰۰ درجه سانتی‌گراد، ساختار پیچیده کانی‌ها را به گونه‌های یونی ساده‌تر تجزیه می‌کند. این فرآیند نیکل و آهن را به‌طور انتخابی احیا کرده و آلیاژ فرونیکل با عیار بالا و ناخالصی بسیار کم تولید می‌کند.

یکی از نقاط قوت اصلی این فناوری، توانایی پردازش سنگ‌های کم‌عیارتر لاتریتی است که بخش عمده ذخایر را تشکیل می‌دهند، اما تاکنون به دلیل دشواری فرآوری، کمتر مورد توجه بوده‌اند. در روش جدید، ذوب، احیا و پالایش هم‌زمان رخ می‌دهد و آلیاژ فرونیکل پالایش‌شده با خلوص بالا (کمتر از ۰٫۰۴ درصد سیلیسیم، حدود ۰٫۰۱ درصد فسفر و کمتر از ۰٫۰۹ درصد کلسیم) مستقیماً به دست می‌آید. این خلوص بالا نیاز به مراحل پالایش اضافی را حذف می‌کند و آلیاژ تولیدی را برای استفاده مستقیم در صنعت فولاد زنگ نزن مناسب می‌سازد. با پالایش بیشتر، این محصول می‌تواند به‌ عنوان ماده اولیه برای الکترود‌های باتری‌های خودرو‌های الکتریکی نیز به کار رود. علاوه بر این، سرباره تولیدی در فرآیند احیا ذوبی، به‌ عنوان منبع ارزشمندی برای صنعت ساخت‌وساز، ازجمله تولید آجر و سیمان، قابل‌استفاده است و ازنظر اقتصادی ارزش‌افزوده ایجاد می‌کند.

نتایج آزمایش‌ها نشان‌دهنده کاهش چشمگیر انتشار مستقیم دی‌اکسید کربن در این روش تا ۸۴ درصد است، به‌ویژه هنگامی که از برق تجدیدپذیر و هیدروژن سبز استفاده شود. همچنین این روش تا ۱۸ درصد انرژی کمتری مصرف می‌کند، زیرا از تکرار چرخه‌های گرم کردن و سرد کردن سنگ معدن که در فرآیند‌های متداول رایج است، اجتناب می‌ورزد. تست‌های مقایسه‌ای حاکی از آن است که هیدروژن مولکولی به‌تنهایی کینتیک کندتری دارد، اما پلاسما با ایجاد گونه‌های فعال، پیوند‌های پایدار سیلیکاتی را به‌سرعت می‌شکند و واکنش را تسریع می‌کند. این رویکرد نه‌تنها برای نیکل، بلکه برای استخراج کبالت که در باتری‌ها و سیستم‌های ذخیره انرژی حیاتی است، نیز قابل‌تعمیم است و پتانسیل تحول در زنجیره تأمین مواد معدنی حیاتی را دارد. از منظر اقتصادی، این فناوری می‌تواند وابستگی به سنگ‌های سولفیدی روبه کاهش را کم کند و استفاده از ذخایر عظیم لاتریتی را اقتصادی سازد. تحلیل‌های هزینه‌ای اولیه نشان می‌دهد که با کاهش قیمت انرژی‌های تجدیدپذیر و سیاست‌های کربن‌زدایی مانند مکانیسم تنظیم مرز کربن (CBAM) در اروپا، این روش از نظر تجاری رقابتی خواهد شد. تأمین مالی این پروژه توسط گرنت پیشرفته شورای تحقیقات اروپا انجام شده که نشان‌دهنده اهمیت استراتژیک آن در سطح اتحادیه اروپاست. بااین‌حال، چالش‌های مقیاس‌پذیری همچنان وجود دارد. احیا فلزات عمدتاً در سطح فصل مشترک واکنش رخ می‌دهد؛ بنابراین در مقیاس صنعتی باید اطمینان حاصل شود که مذاب احیا نشده به‌طور مداوم به این سطح برسد. راه‌حل‌های پیشنهادی شامل استفاده از قوس‌های کوتاه با جریان‌های بالا، ادغام هم زدن الکترومغناطیسی خارجی زیر کوره یا تزریق گاز است که همگی تکنیک‌های شناخته‌شده در صنعت متالورژی هستند.

این نوآوری بخشی از روند گسترده‌تر به سمت متالورژی سبز است که در آن هیدروژن به‌ عنوان عامل احیاکننده جایگزین کک و زغال‌ سنگ می‌شود. در مقایسه با روش‌های سنتی مانند HPAL که از اسید‌های قوی استفاده می‌کند یا مسیر‌های مبتنی بر کوره دوار-کوره قوس الکتریکی که کربن‌محور هستند، فرآیند HPSR مصرف آب را کاهش داده و تولید پسماند‌های خطرناک را به حداقل می‌رساند. وقتی با انرژی تجدیدپذیر ترکیب شود، تقریباً کربن‌خنثی عمل می‌کند و تناقض میان استفاده مفید نیکل در فناوری‌های سبز و آسیب زیست‌محیطی تولید آن را برطرف می‌سازد.

پژوهشگران تأکید دارند که ادامه تولید نیکل به روش‌های مرسوم، صرفاً انتقال مشکل از بخش حمل‌ونقل به متالورژی است و راه‌حل واقعی نیازمند چنین نوآوری‌هایی است. چشم‌انداز آینده این فناوری امیدوارکننده است. با گسترش مقیاس‌پذیری و بهینه‌سازی، صنعت نیکل می‌تواند از تولیدکننده عمده آلاینده‌ها به بخشی از راه‌حل بحران آب‌وهوا تبدیل شود. پژوهش‌های آتی باید بر ادغام کامل با هیدروژن سبز، اقتصاد چرخشی، بازیافت باتری‌های فرسوده و کاهش هزینه‌ها تمرکز کنند. علاوه بر این، کاربرد‌های مشابه برای سایر فلزات حیاتی مانند کروم یا عناصر نادر خاکی می‌تواند زنجیره تأمین مواد معدنی را برای انتقال انرژی پایدارتر سازد. در نهایت، چنین پیشرفت‌هایی نه‌تنها اهداف اقلیمی را حمایت می‌کنند، بلکه امنیت تأمین مواد برای فناوری‌های آینده را تضمین می‌سازند. این روش استخراج نیکل سبز، نمادی از همگرایی علم پیشرفته، مهندسی متالورژی و تعهد به پایداری است. با ادامه سرمایه‌گذاری در پژوهش‌های مشابه، آینده‌ای روشن‌تر برای صنعت معدنی و محیط‌زیست جهانی قابل‌تصور خواهد بود.

منبع: پایگاه خبری - تحلیلی ایراسین