طريقة جديدة لإعادة تدوير الفولاذ.. خطوة لتقليل البصمة الكربونية

صمم باحثون بجامعة تورنتو طريقة جديدة لإعادة تدوير الفولاذ لديها القدرة على إزالة الكربون من مجموعة من الصناعات التحويلية والدخول في اقتصاد فولاذي دائري.

تم توضيح هذه الطريقة في بحث جديد نُشر في مجلة الموارد والحفظ وإعادة التدوير وشارك في تأليفه جيسوك (جاي) باينج وويليام جادج والبروفيسور جيزيل عظيمي.

يقدم إلكتروليت أوكسيكبريتيد مبتكر للتنقية الكهربائية، وهي طريقة بديلة لإزالة شوائب النحاس والكربون من الفولاذ المنصهر. وتنتج هذه العملية أيضًا الحديد السائل والكبريت كمنتجات ثانوية.

يقول عظيمي، الذي يشغل كرسي الأبحاث الكندي في ابتكارات التعدين الحضرية: “إن دراستنا هي أول حالة تم الإبلاغ عنها لإزالة النحاس من الفولاذ كهروكيميائيًا وتقليل الشوائب إلى ما دون مستوى السبائك”.

حاليًا، 25% فقط من الفولاذ المنتج يأتي من مواد معاد تدويرها. ولكن من المتوقع أن ينمو الطلب العالمي على الفولاذ الصديق للبيئة على مدى العقدين المقبلين مع سعي الحكومات في جميع أنحاء العالم إلى تحقيق أهداف خفض الانبعاثات إلى الصفر.

يتم تصنيع الفولاذ عن طريق تفاعل خام الحديد مع فحم الكوك – وهو شكل محضر من الفحم – كمصدر للكربون ونفخ الأكسجين عبر المعدن الناتج. تولد العمليات القياسية الحالية ما يقرب من طنين من ثاني أكسيد الكربون لكل طن من الفولاذ المنتج، مما يجعل إنتاج الصلب أحد أكبر المساهمين في انبعاثات الكربون في قطاع التصنيع.

الخردة التي يتم إعادة تدويرها قد تكون ملوثة

تستخدم طرق إعادة تدوير الفولاذ التقليدية فرن القوس الكهربائي لصهر الخردة المعدنية. وبما أنه من الصعب فصل مادة النحاس فعليًا عن الخردة قبل الصهر، فإن العنصر موجود أيضًا في منتجات الفولاذ المعاد تدويرها.

يقول عظيمي: “المشكلة الرئيسية في إنتاج الفولاذ الثانوي هي أن الخردة التي يتم إعادة تدويرها قد تكون ملوثة بعناصر أخرى، بما في ذلك النحاس”، “يزداد تركيز النحاس عند إضافة المزيد من المعادن الخردة لإعادة تدويرها، وعندما يتجاوز نسبة الوزن 0.1 (بالوزن٪) في منتج الفولاذ النهائي، فإنه سيكون ضارًا بخصائص الفولا”.

لا يمكن إزالة النحاس من خردة الفولاذ المنصهر باستخدام ممارسة صناعة الصلب التقليدية بفرن القوس الكهربائي، لذلك فإن هذا يحد من سوق الصلب الثانوي لإنتاج منتجات فولاذية منخفضة الجودة، مثل قضبان التسليح المستخدمة في صناعة البناء والتشييد.

يقول باينج: “يمكن لطريقتنا توسيع سوق الصلب الثانوي ليشمل صناعات مختلفة”، “لديها القدرة على استخدامها لإنشاء منتجات عالية الجودة مثل الملفات المجلفنة المدرفلة على البارد المستخدمة في قطاع السيارات، أو صفائح الفولاذ للسحب العميق، المستخدمة في قطاع النقل”.

لإزالة النحاس من الحديد إلى أقل من 0.1% بالوزن، كان على الفريق أولاً تصميم خلية كهروكيميائية يمكنها تحمل درجات حرارة تصل إلى 1600 درجة مئوية.

داخل الخلية، تتدفق الكهرباء بين القطب السالب (الكاثود) والقطب الموجب (الأنود) من خلال إلكتروليت أوكسيكبريتيد جديد مصمم من الخبث – وهي نفايات مشتقة من صناعة الصلب والتي غالبًا ما ينتهي بها الأمر في الأسمنت أو مدافن النفايات.

يقول عظيمي: “لقد وضعنا الحديد الملوث الذي يحتوي على شوائب النحاس كمصعد للخلية الكهروكيميائية “،”ثم نطبق قوة دافعة كهربائية – وهي الجهد – مع مصدر طاقة ونجبر النحاس على التفاعل مع المنحل بالكهرباء”.

ويضيف باينج: “يستهدف المنحل بالكهرباء إزالة النحاس من الحديد عندما نطبق الكهرباء على الخلية”، “عندما نوصل الكهرباء على أحد جانبي الخلية، فإننا نجبر النحاس على التفاعل مع الإلكتروليت ويخرج من الحديد، وفي الطرف الآخر من الخلية، ننتج حديدًا جديدًا في نفس الوقت”.

تعاون مختبر عظيمي مع شركة Tenova Goodfellow Inc، وهي مورد عالمي للتقنيات والمنتجات والخدمات المتقدمة لصناعات المعادن والتعدين، وبالنظر إلى المستقبل، يريد الفريق تمكين عملية التكرير الكهربائي لإزالة الملوثات الأخرى من الفولاذ، بما في ذلك القصدير.

ويقول عظيمي: “إن الحديد والصلب هما المعدنان الأكثر استخداماً في هذه الصناعة، وأعتقد أن معدل الإنتاج يصل إلى 1.9 مليار طن سنوياً”، “تتمتع طريقتنا بإمكانيات كبيرة لتزويد صناعة الصلب بطريقة عملية وسهلة التنفيذ لإعادة تدوير الفولاذ لإنتاج المزيد من الطلب على الفولاذ عالي الجودة على مستوى العالم”.