鋁是增長(zhǎng)最快的大規(guī)模生產(chǎn)材料，是車(chē)輛、食品容器和儲(chǔ)藏室以及土木工程結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的先決條件。鋁的合成是通過(guò)拜耳法將一種稱(chēng)為鋁土礦的混合礦石提煉成氧化鋁，副產(chǎn)品是俗稱(chēng)“赤泥”。赤泥亦稱(chēng)紅泥，是從鋁土礦中提煉氧化鋁后排出的工業(yè)固體廢物。赤泥中含氧化鐵量大，外觀與赤色泥土相似，因而得名。隨著鋁工業(yè)的發(fā)展和鋁土礦石品位的降低，赤泥量將越來(lái)越大，在全球范圍內(nèi)的累積量達(dá)到驚人的40億噸，大量的赤泥不能充分有效的利用，目前只能依靠大面積的堆場(chǎng)堆放，占用了大量土地，且赤泥為堿性物質(zhì)，隨著雨水的沖淋，赤泥中的堿會(huì)被溶出，可能污染地表水和地下水，因此赤泥的綜合利用正成為日益重要的研究課題，倍受科技工作者的關(guān)注。

基于以上難題，德國(guó)馬克斯普朗克鋼鐵研究所Isnaldi R. Souza（通訊作者）等人將赤泥直接暴露于稀薄氫熱等離子體（Ar-10%H₂）在電弧爐（EAF）中點(diǎn)燃，無(wú)需對(duì)輸入材料進(jìn)行任何事先處理即可生產(chǎn)液態(tài)鐵。該過(guò)程通過(guò)快速液態(tài)還原、化學(xué)分配以及密度驅(qū)動(dòng)和粘度驅(qū)動(dòng)的金屬和氧化物之間的分離進(jìn)行。作者展示了在這種簡(jiǎn)單快速還原方法中潛在的化學(xué)反應(yīng)、pH中和過(guò)程和相變。該研究通過(guò)使用赤泥作為原料，減少煉鋼產(chǎn)生的溫室氣體排放，建立了一種可持續(xù)的鋁生產(chǎn)有毒廢物處理方法，還為其他金屬的提取提供了參考。相關(guān)研究成果以“Green steel from red mud through climate-neutral hydrogen plasma reduction”為題發(fā)表知名期刊Nature上。

1、通過(guò)氫等離子體還原將赤泥轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的可持續(xù)煉鐵原料，從而減少部分鋼鐵相關(guān)的CO₂排放。

2、所提出的基于氫等離子體的赤泥還原工藝可用于其他金屬（如各種稀土金屬）的提取。

圖1. 紅泥的產(chǎn)生、儲(chǔ)存、危害及氫等離子體處理 © 2024 Springer Nature

圖2. 氫等離子體處理赤泥的相演化及鐵回收機(jī)理 © 2024 Springer Nature

圖3. 氫等離子體處理1 min后赤泥的微觀結(jié)構(gòu) © 2024 Springer Nature

圖4. 氫等離子體處理10 min后赤泥的微觀結(jié)構(gòu) © 2024 Springer Nature

圖5. 非還原性和還原性等離子體氣體對(duì)赤泥處理的影響對(duì)比 © 2024 Springer Nature

綜上，本研究結(jié)果提供了直接證據(jù)，證明赤泥的赤鐵礦部分快速動(dòng)力學(xué)和優(yōu)先還原為純鐵。該工藝效率高，還原10分鐘后達(dá)到70%的金屬化率。此外，還原時(shí)間10分鐘后，F(xiàn)e蒸發(fā)損失僅為約7%。與其他類(lèi)似的赤泥鐵提取方案相比，本工藝生產(chǎn)出高純度的鐵產(chǎn)品，平均鐵含量為95 wt%，有害元素（如S、P和C）的存在可以忽略不計(jì)，因此可以直接用于煉鋼。潛在的化學(xué)機(jī)制被認(rèn)為是由氧化物從鈦磁鐵礦到鐵尖晶石，然后直接還原為純鐵的級(jí)聯(lián)效應(yīng)引起的。除了純鐵萃取外，所提出的基于氫等離子體的赤泥還原工藝似乎也是一種提取其他金屬（如鈦）的可行方法，這表明該工藝可以擴(kuò)展并進(jìn)一步增值，包括提取各種稀土金屬。

原文詳情：Jovi?evi?-Klug, M., Souza Filho, I.R., Springer, H. et al. Green steel from red mud through climate-neutral hydrogen plasma reduction. Nature 625, 703-709 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06901-z