University of Toronto – Các nhà nghiên cứu tại Khoa Khoa học Ứng dụng và Kỹ thuật của Đại học Toronto vừa giới thiệu một phương pháp tái chế thép mới, hứa hẹn giúp giảm lượng khí thải carbon của ngành công nghiệp và thúc đẩy nền kinh tế thép tuần hoàn.
Phương pháp này sử dụng chất điện phân oxysulfide cải tiến trong quá trình tinh chế bằng điện, giúp loại bỏ tạp chất đồng và carbon khỏi thép nóng chảy. Quá trình này đồng thời tạo ra sắt lỏng và lưu huỳnh như các sản phẩm phụ.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí “Tài nguyên, Bảo tồn và Tái chế“, với sự tham gia của Jaesuk (Jay) Paeng, ứng viên tiến sĩ trong khoa kỹ thuật hóa học và hóa học ứng dụng, William Thẩm phán, cựu sinh viên tiến sĩ từ khoa khoa học vật liệu và kỹ thuật, và Giáo sư Gisele Azimi từ khoa kỹ thuật hóa học và hóa học ứng dụng.
Giáo sư Azimi, người đồng thời giữ chức vụ Giáo sư nghiên cứu Canada về đổi mới khai thác đô thị, cho biết: “Nghiên cứu của chúng tôi là trường hợp đầu tiên báo cáo việc loại bỏ đồng khỏi thép bằng phương pháp điện hóa và giảm tạp chất xuống dưới mức hợp kim.”
Hiện nay, chỉ có 25% thép được sản xuất từ vật liệu tái chế. Nhưng nhu cầu toàn cầu về thép xanh hơn dự kiến sẽ tăng trong hai thập kỷ tới khi các chính phủ nỗ lực đạt mục tiêu phát thải ròng bằng không.
Thép hiện được sản xuất bằng cách phản ứng quặng sắt với than cốc – một dạng than đã chế biến – làm nguồn carbon, sau đó thổi oxy qua kim loại sản xuất. Quy trình này tạo ra gần hai tấn carbon dioxide trên mỗi tấn thép, làm cho sản xuất thép trở thành một trong những ngành có lượng khí thải carbon cao nhất trong lĩnh vực sản xuất.
Các phương pháp tái chế thép truyền thống sử dụng lò hồ quang điện để nấu chảy kim loại phế liệu. Vì khó tách vật liệu đồng khỏi phế liệu trước khi nấu chảy, nguyên tố này cũng tồn tại trong các sản phẩm thép tái chế. Giáo sư Azimi cho biết: “Vấn đề chính với sản xuất thép thứ cấp là phế liệu được tái chế có thể bị nhiễm các nguyên tố khác, bao gồm cả đồng.”
“Nồng độ đồng tăng lên khi thêm nhiều kim loại phế liệu để tái chế. Khi nồng độ đồng vượt quá 0,1% trọng lượng trong sản phẩm thép cuối cùng, nó sẽ gây hại đến các đặc tính của thép.” Đồng không thể loại bỏ khỏi thép phế liệu nóng chảy bằng phương pháp luyện thép truyền thống, do đó, thị trường thép thứ cấp chỉ sản xuất ra sản phẩm thép chất lượng thấp hơn, chẳng hạn như thanh cốt thép dùng trong xây dựng.
“Phương pháp của chúng tôi có thể mở rộng thị trường thép thứ cấp sang các ngành công nghiệp khác nhau,” Paeng cho biết. “Nó có tiềm năng được sử dụng để tạo ra các sản phẩm chất lượng cao hơn như cuộn cán nguội mạ kẽm dùng trong ngành ô tô hoặc tấm thép để kéo sâu dùng trong ngành vận tải.”
Nhóm nghiên cứu đã thiết kế một pin điện hóa chịu được nhiệt độ lên tới 1.600 độ C để loại bỏ đồng khỏi sắt xuống dưới 0,1% trọng lượng. Bên trong pin, dòng điện chạy giữa điện cực âm (cathode) và điện cực dương (anode) thông qua chất điện phân oxysulfide mới được thiết kế từ xỉ – một chất thải có nguồn gốc từ quá trình sản xuất thép thường được đưa vào xi măng hoặc bãi chôn lấp.
Giáo sư Azimi giải thích: “Chúng tôi đặt sắt bị ô nhiễm có tạp chất đồng làm cực dương của pin điện hóa. Sau đó, áp dụng lực điện động, chúng tôi buộc đồng phản ứng với chất điện phân và thoát ra khỏi sắt. Ở đầu bên kia của pin, chúng tôi đồng thời sản xuất sắt mới.”
Phòng thí nghiệm của Azimi đã hợp tác với Tenova Goodfellow Inc., một nhà cung cấp công nghệ, sản phẩm và dịch vụ tiên tiến cho ngành công nghiệp khai khoáng và kim loại, nơi William Thẩm phán hiện là kỹ sư nghiên cứu và phát triển cấp cao. Nhìn về tương lai, nhóm nghiên cứu muốn áp dụng quy trình tinh luyện bằng điện để loại bỏ các chất gây ô nhiễm khác khỏi thép, bao gồm cả thiếc.
Giáo sư Azimi chia sẻ: “Sắt và thép là những kim loại được sử dụng rộng rãi nhất trong ngành. Tôi nghĩ tốc độ sản xuất có thể lên tới 1,9 tỷ tấn mỗi năm. Phương pháp của chúng tôi có tiềm năng lớn trong việc cung cấp cho ngành sản xuất thép một cách thực tế và dễ thực hiện để tái chế thép nhằm đáp ứng nhu cầu về thép chất lượng cao trên toàn cầu.”
