Для борьбы с изменением климата и создания климатически нейтральной отрасли необходимо резко сократить выбросы углекислого газа. Ключевой частью этого перехода является замена углеродных энергоносителей электричеством, особенно на транспорте и в промышленности. Однако этот сдвиг в значительной степени зависит от никеля, важнейшего материала, используемого в аккумуляторах и нержавеющей стали. Ожидается, что к 2040 году спрос на никель удвоится в связи с растущей электрификацией инфраструктуры и транспортных систем. Тем не менее, при производстве одной тонны никеля в настоящее время выделяется около 20 тонн CO2, что вызывает опасения по поводу переноса нагрузки на окружающую среду с транспорта на металлургию. Исследователи из Института устойчивых материалов Макса Планка (MPI-SusMat) в настоящее время разработали безуглеродистый, энергосберегающий метод извлечения никеля. Их подход также позволяет использовать низкосортные никелевые руды, на которые раньше не обращали внимания из-за сложности традиционных процессов извлечения. Команда Макса Планка опубликовала свои результаты в журнале Nature.
Один-единственный шаг к зеленому никелю
"Если мы продолжим производить никель традиционным способом и использовать его для электрификации, мы просто отодвинем проблему, а не решим ее", - объясняет Убейд Манзур, доктор философии, исследователь MPI-SusMat и первый автор публикации. Манзур и его коллеги разработали новый метод извлечения никеля из руд за одну стадию, используя водородную плазму вместо процессов на основе углерода. Такой подход не только сокращает выбросы CO2 на 84%, но и на 18% повышает энергоэффективность при использовании возобновляемой электроэнергии и экологически чистого водорода.
Традиционно промышленность полагается на высокосортные руды, поскольку извлечение никеля из низкосортных руд гораздо сложнее из-за их сложного химического состава. В отличие от железа, которое может быть восстановлено за одну стадию путем удаления кислорода, никель в низкосортных рудах химически связан в составе сложных силикатов магния или оксидов железа. Традиционная экстракция включает в себя множество стадий, таких как прокаливание, плавка, восстановление и рафинирование, которые являются энергоемкими и имеют большой углеродный след. Главным достижением этого метода является его способность перерабатывать низкосортные никелевые руды (на долю которых приходится 60% от общих запасов никеля) в одной реакторной печи, где плавка, восстановление и рафинирование происходят одновременно, непосредственно получая очищенный ферроникелевый сплав.
"Используя водородную плазму и управляя термодинамическими процессами внутри электродуговой печи, мы можем расщеплять сложную структуру минералов в низкосортных никелевых рудах на более простые ионные частицы - даже без использования катализаторов", - объясняет профессор Иснальди Соуза Фильо, руководитель группы "Устойчивый синтез материалов"." в MPI-SusMat и автор-корреспондент публикации.
На пути к промышленному применению
Этот метод не только сокращает выбросы и потребление энергии, но и расширяет спектр используемых никелевых руд, делая добычу более рентабельной и устойчивой. Следующим шагом команды Max Planck является масштабирование процесса для промышленного применения. "Восстановление никелевых руд до более простых ионных соединений происходит только на границе раздела фаз реакции, а не по всему расплаву. В крупномасштабной системе крайне важно обеспечить, чтобы невосстановленный расплав непрерывно достигал границы раздела фаз реакции", - объясняет Манзур. "Этого можно достичь, используя короткие дуги с высокими токами, встроив внешнее электромагнитное перемешивающее устройство под печь или используя впрыск газа". Это хорошо зарекомендовавшие себя промышленные технологии, делающие возможной интеграцию в существующие процессы.
Технология производства экологически чистого никеля открывает путь к более устойчивой электрификации транспортного сектора. Восстановленный никелевый сплав может быть использован непосредственно в производстве нержавеющей стали и, при дополнительной обработке, в качестве материала для электродов аккумуляторных батарей. Кроме того, шлак, образующийся в процессе восстановления, может служить ценным ресурсом для строительной промышленности, включая производство кирпича и цемента. Тот же процесс может быть применен и для кобальта, который используется в электромобилях и системах накопления энергии.
Исследование финансировалось за счет расширенного гранта Европейского исследовательского совета.
Комментарии