De metalen die de basis vormen van de moderne samenleving veroorzaken ook tal van problemen. Het scheiden van de gewenste metalen van andere mineralen is vaak energie-intensief en kan grote hoeveelheden giftig afval achterlaten. Om ze in hun pure vorm te verkrijgen kan vaak een tweede en aanzienlijke input van energie nodig zijn, waardoor de daarmee gepaard gaande CO2-uitstoot toeneemt.
Een team van onderzoekers uit Duitsland heeft nu ontdekt hoe een aantal van deze problemen kunnen worden opgelost voor een bepaalde klasse mijnbouwafval dat ontstaat tijdens de aluminiumproductie. Hun methode is gebaseerd op waterstof en elektriciteit, die kunnen worden verkregen uit hernieuwbare energiebronnen, en haalt ijzer en mogelijk andere metalen uit afval. Wat achterblijft is misschien nog steeds giftig, maar niet zo schadelijk voor het milieu.
Van de modder
De eerste stap bij de productie van aluminium is het isoleren van aluminiumoxide van andere materialen in het erts. Dit laat een materiaal achter dat bekend staat als rode modder; Er wordt geschat dat er jaarlijks bijna 200 miljoen ton wordt geproduceerd. Hoewel de rode kleur afkomstig is van de aanwezige ijzeroxiden, zitten er nog veel andere materialen in, waarvan sommige giftig kunnen zijn. En door het isolatieproces met aluminiumoxide blijft het materiaal achter met een zeer basale pH-waarde.
Al deze kenmerken zorgen ervoor dat rode modder over het algemeen niet in het milieu terecht kan (of althans niet mag komen). Het wordt over het algemeen bewaard in opvangvijvers; wereldwijd wordt geschat dat deze 4 miljard ton rode modder bevatten, en veel van de opvangvijvers zijn in de loop der jaren gescheurd.
IJzeroxiden kunnen op sommige locaties meer dan de helft van het gewicht van rode modder uitmaken, waardoor het mogelijk een goede bron van ijzer is. Traditionele methoden verwerkten ijzererts door ze te laten reageren met koolstof, wat leidde tot het vrijkomen van koolstofdioxide. Maar er zijn pogingen gedaan om de productie van “groen staal” te ontwikkelen, waarbij deze stap wordt vervangen door een reactie met waterstof, waarbij water als voornaamste bijproduct overblijft. Omdat waterstof uit water kan worden geproduceerd met behulp van hernieuwbare elektriciteit, heeft dit het potentieel om veel van de koolstofemissies die gepaard gaan met de ijzerproductie te elimineren.
Een team uit Duitsland besloot de methode voor het produceren van groen staal op rode modder te testen. Ze verhitten een deel van het materiaal in een vlamboogoven in een atmosfeer die voornamelijk bestond uit argon (dat nergens mee zou reageren) en waterstof (met 10 procent van het mengsel).
Ijzer eruit pompen (wegpompen).
De reactie was extreem snel. Binnen enkele minuten begonnen er metaalachtige ijzerknobbeltjes in het mengsel te verschijnen. De ijzerproductie is over het algemeen in ongeveer 10 minuten voltooid. Het ijzer was extreem zuiver, met ongeveer 98 procent van het massamateriaal in ijzerknobbeltjes.
Beginnend met een monster van 15 gram rode modder, werd dit teruggebracht tot 8,8 gram, waarbij een groot deel van de zuurstof in het materiaal vrijkwam als water. (Het is vermeldenswaard dat dit water kan worden teruggevoerd naar de waterstofproductie, waardoor de cirkel rond dit aspect van het proces wordt gesloten.) Van die 8,8 gram was ongeveer 2,6 gram (30 procent) in de vorm van ijzer.
Uit onderzoek is gebleken dat er in het mengsel ook enkele kleine stukjes relatief zuiver titanium worden gevormd. Er is dus een kans dat dit kan worden gebruikt bij de productie van extra metalen, hoewel het proces waarschijnlijk moet worden geoptimaliseerd om de opbrengst van iets anders dan ijzer te verhogen.
Het goede nieuws is dat er hierna veel minder rode modder is om je zorgen over te maken. Afhankelijk van de bron van het oorspronkelijke aluminiumhoudende erts, kan een deel ervan relatief hoge concentraties waardevolle materialen bevatten, zoals zeldzame aardmineralen. Het nadeel is dat alle giftige materialen in het oorspronkelijke erts veel geconcentreerder zullen zijn.
Als klein pluspunt neutraliseert het proces ook de pH van het resterende residu. Dat is dus in ieder geval een zorg minder.
Het nadeel is dat het proces ontzettend energie-intensief is, zowel bij de productie van de benodigde waterstof als bij de werking van de boogoven. De kosten van die energie maken de zaken economisch uitdagend. Dit wordt gedeeltelijk gecompenseerd door lagere verwerkingskosten – het erts wordt al gewonnen en heeft een relatief hoge zuiverheid.
Maar het belangrijkste kenmerk hiervan is de extreem lage CO2-uitstoot. Momenteel hebben ze in de meeste landen geen prijs, wat de economische aspecten van dit proces veel moeilijker maakt.
Natuur, 2024. DOI: 10.1038/s41586-023-06901-z (Over DOI).