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材料再利用和再循環(huán)是可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵戰(zhàn)略，有助于材料閉環(huán)，以實現(xiàn)循環(huán)經(jīng)濟。但這是一個缺乏技術(shù)創(chuàng)新的領(lǐng)域，迫切需要新的、創(chuàng)新的回收技術(shù)，迄今為止，材料開發(fā)的復(fù)雜性和規(guī)模已經(jīng)超過了這些技術(shù)。

在商品金屬中，鋼鐵的回收尤為重要。煉鋼每年生產(chǎn)19億噸粗鋼，占所有人為CO₂排放量的約7%。大多數(shù)CO₂來自綜合工廠粗鋼生產(chǎn)的直接排放，每噸鋼排放2.1-2.6噸CO₂。與此同時，在迷你工廠中使用電弧爐（EAF）回收鋼廢料每噸鋼只排放0.4-1.0噸CO₂，其中大多數(shù)CO₂是發(fā)電的間接排放。因此，當(dāng)通過回收保持的閉環(huán)后，CO₂排放量將大幅減少。然而，這一結(jié)果取決于回收鋼的質(zhì)量能否滿足需求。

鋼鐵消費者一直要求更高質(zhì)量的鋼材，這些鋼材需要嚴(yán)格控制碳等元素。例如，在先進(jìn)的高強度鋼中，孿生誘導(dǎo)塑性對碳特別敏感，對車輛安全很重要。其他汽車應(yīng)用需要超低碳（<0.003 wt%）才能實現(xiàn)深度拉伸和更薄的車身面板。在不銹鋼中，碳也保持在低水平，以減少致敏。要進(jìn)入循環(huán)經(jīng)濟，二級煉鋼必須滿足這些需求，并將低價值廢料轉(zhuǎn)化為高價值鋼材。

Nature Materials：電化學(xué)煉鐵，大大降低能源消耗！

▲電弧爐

為了滿足材料要求，EAF生產(chǎn)的熔鐵通常需要在幾個反應(yīng)堆中進(jìn)行處理。需要通過氬氧脫碳、真空罐脫氣或再循環(huán)脫氣進(jìn)行精煉，才能將碳降至低水平。雖然這些技術(shù)會使鐵脫碳，但它們是批量加工，消耗試劑，并將金屬流失到礦渣中。另一個挑戰(zhàn)是原料的可變性。廢料成分差異很大，EAF通常含有一些高達(dá)4wt%碳的直接還原鐵。因此，需要新技術(shù)來處理各種原料，以更少的試劑生產(chǎn)高價值產(chǎn)品。

多倫多大學(xué)的Gisele Azimi教授等人在Nature Materials上發(fā)布了最新的研究成果，Electrorefining for direct decarburization of molten iron，在這里作者提出了電精煉的概念，用于鐵的直接脫碳。

在這里，作者演示了電精煉直接對鐵水脫碳的概念（上圖）。鐵液陽極極化后，熔渣電解液中的氧化物離子通過一系列的電子轉(zhuǎn)移步驟直接與鐵中溶解的C反應(yīng)生成CO，然后是氣態(tài)CO的解吸。CO從陽極釋放出來時，有價值的冶金級硅作為副產(chǎn)品在陰極被回收，用于鋼鐵廠。與高度依賴溶解氧反應(yīng)的傳統(tǒng)實踐截然不同，這里的電精煉通過直接界面反應(yīng)實現(xiàn)脫碳。作者的工藝適用于含任何碳含量的鐵水，已經(jīng)演示了超低碳鋼的生產(chǎn)。電精煉能耗低，不需要試劑，自混合，從渣中回收金屬。

除了滿足目前對高質(zhì)量鋼的需求外，作者還希望通過簡單的工藝控制和降低氣體、脫氧劑和耐火材料的消耗來節(jié)約潛在的成本。除了作為一個獨立的過程操作外，電精煉還可以與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合使用，以加強精煉。

為了了解能量需求，作者使用平均電池電位和電流效率來確定具體的能量消耗。具體能耗大多保持在每公斤碳10-20千瓦時左右，而理論能耗范圍為每公斤碳2-8千瓦時?？傮w而言，電精煉的能耗低，而含碳量低的產(chǎn)品附加值高。

這種電精煉的主要應(yīng)用在電弧爐小型鋼廠，用于回收現(xiàn)有電力基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)高價值產(chǎn)品的鋼鐵。通過提高回收鋼材的質(zhì)量，電精煉有助于關(guān)閉材料循環(huán)，減少資源消耗，減少煉鋼過程中的排放。

圖文詳情

Nature Materials：電化學(xué)煉鐵，大大降低能源消耗！

圖1. 實驗證明，在1600°C下，電精煉可直接脫碳含碳量為3.78%的鐵水

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圖2. 電化學(xué)技術(shù)闡明了鐵液在1600°C下的脫碳途徑

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圖3. 鐵水電精煉過程中直接脫碳機理示意圖

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圖4. 電精煉過程在不同碳濃度范圍內(nèi)的性能和基準(zhǔn)

文獻(xiàn)信息

Judge, W.D., Paeng, J. & Azimi, G. Electrorefining for direct decarburization of molten iron. Nat. Mater. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01106-z

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/10/11/b3da968cbc/

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