Производство железа, основного ингредиента стали, наносит ущерб хрупкой атмосфере Земли, производя 8% всех глобальных выбросов парниковых газов. Теперь команда химиков придумала, как сделать этот бизнес более экологичным. Используя электричество для преобразования железной руды и соленой воды в металлическое железо и другие промышленно полезные химические вещества, исследователи сообщают в журнале Joule, что их подход экономически эффективен, хорошо работает с электричеством, вырабатываемым ветровыми и солнечными электростанциями, и может даже быть углеродно-отрицательным, потребляя больше энергии. больше углекислого газа (CO 2), чем он производит.
Железо — один из наиболее распространенных элементов на Земле, но в своем естественном состоянии оно связано с кислородом в различных минералах, составляющих железную руду. Чтобы извлечь металлическое железо из этой руды, рабочие обычно смешивают его с высокоуглеродистой формой угля, называемой коксом, и нагревают смесь примерно до 1500°C в доменной печи. При этой температуре атомы углерода отрывают атомы кислорода от железа, образуя CO 2, который уносится в атмосферу и оставляет после себя расплавленный металл. Затем производители стали объединяют это железо с небольшим количеством углерода и других микроэлементов для ковки стали.
Хотя этот способ производства железа и стали дешев и проверен временем, при нем выделяется значительное количество CO 2. Ежегодно в мире добывается 2,5 миллиарда тонн железа, а при его переработке в железо выделяется столько же CO 2, сколько выхлопных труб всех легковых автомобилей вместе взятых. Итак, ученые ищут экономически выгодные способы производства металлического железа, не выделяющие парниковых газов.
С этой целью Пол Кемплер, инженер-химик из Университета Орегона, и его коллеги задались вопросом, можно ли перепрофилировать промышленный процесс получения хлора из соленой воды для производства железа. В этом «хлор-щелочном» процессе вода, содержащая хлорид натрия, помещается в электрохимическую ячейку, напоминающую батарею, содержащую два электрода, погруженных в жидкий электролит. Положительно заряженный электрод, анод, оттягивает электроны от ионов хлорида, в результате чего атомы хлора объединяются в газообразный хлор. В то же время электроны, поступающие с катода, расщепляют молекулы воды на части, которые соединяются с ионами натрия и друг с другом, образуя гидроксид натрия и газообразный водород.
Чтобы настроить установку для очистки железа, команда Кемплера добавила в катод частицы оксида железа. Теперь отправленные к нему электроны также высвободят атомы кислорода из оксида железа и снова образуют гидроксид натрия, а также оставят после себя твердое металлическое железо. Исследователи утверждают, что этот процесс очень эффективен. Фактически, по их оценкам, продажа хлора и некоторого количества гидроксида натрия по текущим рыночным ценам должна позволить производить железо в целом по той же цене, что и его производство в доменных печах. А поскольку гидроксид натрия может связывать CO 2 и превращать его в минералы на основе углерода, этот процесс можно использовать для улавливания CO 2, делая его углеродо-отрицательным.
И все же лабораторный эксперимент далек от промышленного процесса. Даже если эту технику можно масштабировать, есть нюансы, над которыми нужно работать. Установка группы из Орегона генерирует практически столько же газообразного хлора, сколько и железа, отмечает Ирина Зенюк, инженер-химик Калифорнийского университета в Ирвайне. Хотя газообразный хлор имеет множество промышленных применений, его количество, полученное при увеличении масштаба нового метода, будет больше, чем необходимо, что приведет к загрязнению окружающей среды. Кроме того, говорит Зенюк, электрохимическое производство железа требует, чтобы исходный оксид железа был чистым и не содержал примесей, присутствующих в большинстве руд. «Очистка может быть дорогостоящей», — говорит она.
Кемплер говорит, что опасения обоснованны. Даже в этом случае масштабирование производства для удовлетворения промышленных потребностей в газообразном хлоре по-прежнему будет производить десятки миллионов тонн железа и хлора без CO 2 ежегодно, отмечает он. Что касается очистки оксида железа, он добавляет, что, поскольку хорошо известно, что гидроксид натрия связывает следы примесей в железной руде, часть его можно использовать для очистки оксида железа перед использованием в реакторе - проект, который они в настоящее время тестируют. Если все получится, производство железа когда-нибудь сможет немного снизить нагрузку на климат.
