طريقة صناعة الحديد الكهروكيميائية ذات درجة الحرارة المنخفضة لديها القدرة على إعادة تشكيل صناعة الصلب.

الصلب هو العمود الفقري للحضارة الحديثة ، وتطبيقاته منتشرة في كل مكان في كل شيء من المباني والجسور إلى السيارات والأجهزة.

من ناحية أخرى ، تعد صناعة الصلب واحدة من أكبر مصادر انبعاثات الكربون في العالم ، ويرجع ذلك أساسا إلى العملية التقليدية لاستخراج الحديد من الخام باستخدام أفران الصهر التي تعمل بالفحم.

مع استمرار نمو الطلب العالمي على الصلب ، يعد إيجاد طرق أنظف وأكثر استدامة للإنتاج أمرا بالغ الأهمية - ليس فقط لتحقيق الأهداف المناخية ، ولكن أيضا لمستقبل الصناعة نفسها.

الآن ، يلجأ الباحثون إلى الكيمياء الكهربائية لإعادة تصور كيفية صنع الحديد ، وهو مكون رئيسي للفولاذ.

بدلا من الاعتماد على أفران الوقود الأحفوري ذات درجة الحرارة العالية ، تستخدم هذه الطريقة الناشئة الكهرباء لاستخراج الحديد النقي من أكسيد الحديد في درجات حرارة منخفضة ، مع انخفاض كبير في الانبعاثات.

هذه خطوة واعدة نحو صناعة فولاذية أكثر اخضرارا - مما يساعد على تقليل التلوث دون التضحية بالأداء أو الربحية.

تأملات في حجم صناعة خام الحديد

في جامعة أوريغون ، يقوم الكيميائي بول كيمبو وفريقه بتطوير عملية كهروكيميائية تحول أكسيد الحديد والمحلول الملحي إلى معادن من الحديد النقي ، بينما تنتج أيضا الكلور ، وهو منتج ثانوي ذو قيمة تجارية.

يمكن أن يقلل هذا النهج من التأثير البيئي لصناعة الحديد التقليدية والتنافس في النهاية في التكلفة مع طرق صناعة الحديد الحالية الثقيلة الكربونية.

في العام الماضي ، أظهر الفريق في المختبر أن الكيمياء الكهربائية يمكنها تحويل أكسيد الحديد إلى حديد.

لكن خام الحديد في العالم الحقيقي أكثر تعقيدا بكثير من المواد النقية المستخدمة في الاختبارات السابقة.

لتقريب عملياتهم من الحقائق الصناعية ، يحتاج الباحثون إلى معرفة نوع أكسيد الحديد الطبيعي الذي يعمل بشكل أفضل في تفاعلات درجات الحرارة المنخفضة هذه.

قال كيمبلر: "لدينا في الواقع مبدأ كيمياء ، وقاعدة تصميم توجيهية ، ستعلمنا كيفية تحديد أكاسيد الحديد منخفضة التكلفة التي يمكننا استخدامها في هذه المفاعلات".

الشكل أهم من الحجم!

للإجابة على هذا السؤال ، قامت باحثة ما بعد الدكتوراه آنا كونوفالوفا وطالب الدراسات العليا أندرو جولدمان بالتحقيق في كيفية تأثير شكل وهيكل جزيئات أكسيد الحديد على هذه العملية.

إنها تخلق جزيئات مسامية وكثيفة متشابهة في التركيب ولكنها مختلفة في الهيكل الداخلي.

النتائج التي توصلوا إليها واضحة: المسامية مهمة. الجسيمات المسامية لها مساحة سطح داخلية أكبر ، مما يجعل إنتاج الحديد أسرع وأكثر كفاءة.

في المقابل ، تعمل الجسيمات الكثيفة على إبطاء العملية والحد من كمية الحديد التي يمكن تصنيعها في وقت واحد.

يقول أندرو جولدمان: "مع الجسيمات المسامية حقا ، يمكننا صنع الحديد بسرعة على نطاق صغير". "لا يمكن أن تصل الجسيمات الكثيفة إلى نفس المعدل ، لذلك نحن محدودون في كمية الحديد التي يمكننا صنعها لكل متر مربع من القطب."

قفزة هائلة إلى الأمام

الكفاءة ليست انتصارا علميا فحسب ، بل هي أيضا ضرورة عملية. المصانع الكهروكيميائية الكبيرة باهظة الثمن ، وكلما كان النظام أسرع في إنتاج الحديد ، زادت سرعة دفع تكاليفه.

باستخدام الجسيمات المسامية ، يقدر الفريق أنه يمكنهم إنتاج الحديد بأقل من 600 دولار للطن ، وهو نفس صناعة الحديد التقليدية.

ومن المرجح أن تؤدي التطورات الإضافية في تصميم الأقطاب الكهربائية والمواد الأولية المسامية إلى تعزيز هذه العملية.

لتسريع الانتقال من المختبر إلى الصناعة ، يعمل الفريق مع مهندسين مدنيين في جامعة ولاية أوريغون وشركة لتصنيع الأقطاب الكهربائية.

قال أندرو جولدمان: "أعتقد أن هذا العمل يظهر أن التكنولوجيا يمكن أن تلبي احتياجات المجتمع الصناعي دون التسبب في ضرر للبيئة. ”

"بالطبع ، لم نحل جميع المشكلات بعد ، لكنني أعتقد أنه مثال يمكن أن يكون بمثابة نقطة مركزية للتفكير في طرق مختلفة للتفكير في الحلول."

نشرت الدراسة في ACS Energy Letters.