Abfälle aus dem Aluminiumbergbau können eine Quelle für grünen Stahl sein

Auch Mineralien, die die Grundlage der modernen Gesellschaft bilden, verursachen eine Reihe von Problemen. Die Trennung der gewünschten Metalle von anderen Metallen ist oft energieintensiv und kann große Mengen giftigen Abfalls hinterlassen. Um es in reiner Form zu gewinnen, kann oft ein zweiter und erheblicher Energieeinsatz erforderlich sein, was die damit verbundenen Kohlenstoffemissionen erhöht.

Ein Forscherteam aus Deutschland hat nun herausgefunden, wie einige dieser Probleme für eine bestimmte Klasse von Bergbauabfällen, die bei der Aluminiumproduktion anfallen, gelöst werden können. Ihre Methode basiert auf Wasserstoff und Strom, die aus erneuerbarer Energie und der Gewinnung von Eisen und möglicherweise anderen Metallen aus Abfällen gewonnen werden können. Was übrig bleibt, ist möglicherweise noch giftig, aber nicht schädlich für die Umwelt.

Raus aus dem Schlamm

Der erste Schritt bei der Aluminiumproduktion besteht darin, das Aluminiumoxid von anderen Materialien im Erz zu isolieren. Zurück bleibt eine Substanz, die als roter Ton bekannt ist; Es wird geschätzt, dass jährlich etwa 200 Millionen Tonnen produziert werden. Während die rote Farbe auf die enthaltenen Eisenoxide zurückzuführen ist, enthält es viele andere Substanzen, von denen einige giftig sein können. Der Prozess der Isolierung von Aluminiumoxid hinterlässt im Material einen sehr basischen pH-Wert.

All diese Eigenschaften führen dazu, dass roter Ton grundsätzlich nicht in die Umwelt zurückgeführt werden kann (oder sollte). Es wird im Allgemeinen in Rückhaltebecken aufbewahrt, die weltweit schätzungsweise 4 Milliarden Tonnen roten Ton enthalten, und im Laufe der Jahre sind mehrere Rückhaltebecken explodiert.

Eisenoxide können an manchen Standorten mehr als die Hälfte des Gewichts von rotem Ton ausmachen, was ihn zu einer guten Eisenquelle macht. Traditionelle Methoden verarbeiteten Eisenerze, indem sie sie mit Kohlenstoff reagieren ließen und dabei Kohlendioxid freisetzten. Es gab jedoch Bestrebungen, die Produktion von „grünem Stahl“ zu entwickeln, bei dem dieser Schritt durch eine Reaktion mit Wasserstoff ersetzt wird, wobei Wasser als primäres Nebenprodukt zurückbleibt. Da Wasserstoff mithilfe von erneuerbarem Strom aus Wasser hergestellt werden kann, besteht das Potenzial, einen Großteil der mit der Eisenproduktion verbundenen Kohlenstoffemissionen zu vermeiden.

Das deutsche Team beschloss, die Methode zur Herstellung von grünem Stahl auf rotem Ton zu testen. Sie erhitzten einige Materialien Elektrolichtbogenofen Unter einer Atmosphäre, die hauptsächlich aus Argon (das mit nichts reagiert) und Wasserstoff (10 Prozent der Mischung) bestand.

Eisen abpumpen

Die Reaktion war bemerkenswert schnell. Innerhalb weniger Minuten begannen in der Mischung metallische Eisenknötchen zu erscheinen. Die Eisenproduktion ist in etwa 10 Minuten weitgehend abgeschlossen. Das Eisen war bemerkenswert rein: Etwa 98 Gewichtsprozent des Materials in den Knötchen bestand aus Eisen.

Sie begann den Prozess mit einer 15-Gramm-Probe roten Tons und reduzierte sie dann auf 8,8 Gramm, wobei so viel Sauerstoff im Material wie Wasser freigesetzt wurde. (Es ist erwähnenswert, dass dieses Wasser wieder zur Herstellung von Wasserstoff recycelt werden kann, wodurch der Kreislauf in diesem Aspekt des Prozesses geschlossen wird.) Von den 8,8 Gramm lagen etwa 2,6 (30 Prozent) in Form von Eisen vor.

Die Untersuchungen ergaben, dass sich in der Mischung auch einige kleine Stücke relativ reinen Titans gebildet hatten. Daher besteht die Möglichkeit, dies zur Herstellung zusätzlicher Metalle zu nutzen, obwohl der Prozess wahrscheinlich verbessert werden muss, um die Produktion von etwas anderem als Eisen zu steigern.

Die gute Nachricht ist, dass Sie sich danach keine Sorgen mehr über roten Lehm machen müssen. Abhängig von der Quelle des ursprünglichen aluminiumhaltigen Erzes können einige davon relativ hohe Konzentrationen an wertvollen Materialien wie Seltenerdmetallen enthalten. Der Nachteil besteht darin, dass etwaige Giftstoffe im ursprünglichen Rohmaterial deutlich stärker konzentriert sind.

Als kleines Plus neutralisiert das Verfahren auch den pH-Wert der verbleibenden Rückstände. Das ist also mindestens eine Sache weniger, worüber man sich Sorgen machen muss.

Der Nachteil ist, dass der Prozess sowohl bei der Herstellung des benötigten Wasserstoffs als auch beim Betrieb des Lichtbogenofens unglaublich energieintensiv ist. Die Kosten dieser Energie machen die Sache wirtschaftlich schwierig. Dies wird teilweise durch geringere Verarbeitungskosten ausgeglichen, da das Erz bereits gewonnen wurde und eine relativ hohe Reinheit aufweist.

Das Hauptmerkmal ist jedoch der extrem niedrige CO2-Ausstoß. Derzeit gibt es in den meisten Ländern keinen Preis für diese Produkte, was die Wirtschaftlichkeit dieses Prozesses erheblich erschwert.

Natur, 2024. DOI: 10.1038/s41586-023-06901-z (Über digitale IDs).