טכנולוגיית מיחזור פלדה חדשה מאוניברסיטת טורונטו עשויה לחולל מהפכה בתעשייה על ידי הסרת זיהומים אלקטרוכימית, טיפוח ייצור ברמה גבוהה יותר וסיוע במאמצי קיימות גלובליים.
פרופסור להנדסה ג'יזל עזימי וצוות המחקר שלה באוניברסיטת טורונטו פיתחו שיטה אלקטרוכימית חדשה להפקת מזהמים כמו נחושת מגרוטאות פלדה.
חוקרים במחלקה להנדסה של אוניברסיטת טורונטו פיתחו טכניקת מיחזור פלדה חדשה שיכולה לסייע בהפחתת פחמן במגזרי ייצור שונים ולקדם כלכלת פלדה מעגלית. הגישה מפורטת במחקר שפורסם לאחרונה ב משאבים, שימור ומיחזורונכתב במשותף על ידי Jaesuk (Jay) Paeng, ויליאם שופט ופרופסור ג'יזל עזימי.
הוא מציג אלקטרוליט אוקסיסולפיד חדשני לזיכוך אלקטרו, דרך חלופית להסרת זיהומי נחושת ופחמן מפלדה מותכת. התהליך גם מייצר ברזל נוזלי וגופרית כתוצרי לוואי.
"המחקר שלנו הוא המקרה הראשון המדווח של הסרה אלקטרוכימית של נחושת מפלדה והפחתת זיהומים למטה סַגסוֹגֶת רמה", אומר עזימי, המחזיק בקתדרה למחקר בקנדה בחידושי כרייה עירונית.
אתגרים בייצור פלדה נוכחי
נכון לעכשיו, רק 25% מהפלדה המיוצרת מגיעה מחומר ממוחזר. אבל הביקוש העולמי לפלדה ירוקה יותר צפוי לגדול במהלך שני העשורים הבאים, כאשר ממשלות ברחבי העולם שואפות להשיג יעדי אפס פליטה נטו.
פלדה נוצרת על ידי תגובה של עפרות ברזל עם קוקה – צורה מוכנה של פחם – כמקור הפחמן והפרחת חמצן דרך המתכת המיוצרת. תהליכים סטנדרטיים נוכחיים מייצרים כמעט שני טונות של פחמן דו חמצני לכל טון פלדה מיוצרת, מה שהופך את ייצור הפלדה לאחד התורמים הגבוהים ביותר לפליטת פחמן במגזר הייצור.
משמאל לימין: המועמד לדוקטורט מאוניברסיטת טורונטו, Jaesuk (Jay) Paeng, עומד לצד פרופסור ג'יזל עזימי ומחזיק בתא האלקטרוכימי החדש של הצוות שעוצב בפני טמפרטורות של עד 1600 מעלות צלזיוס תוך הסרה אלקטרוכימית של מזהמים מפלדה באמצעות אלקטרוליט מבוסס סיגים. קרדיט: Safa Jinje / אוניברסיטת טורונטו הנדסה
שיטות מיחזור פלדה מסורתיות משתמשות בתנור קשת חשמלי כדי להמיס גרוטאות מתכת. מכיוון שקשה להפריד פיזית בין חומר נחושת לגרוטאות לפני ההמסה, האלמנט קיים גם במוצרי הפלדה הממוחזרים.
"הבעיה העיקרית בייצור משני של פלדה היא שהגרוטאות הממוחזרות עשויות להיות מזוהמות באלמנטים אחרים, כולל נחושת", אומר עזימי. "ריכוז הנחושת מצטבר ככל שאתה מוסיף עוד גרוטאות מתכות למיחזור, וכאשר הוא עולה מעל 0.1 אחוז משקל (wt%) במוצר הפלדה הסופי, זה יפגע בתכונות הפלדה."
יתרונות השיטה החדשה
לא ניתן להסיר נחושת מגרוטאות פלדה מותכת באמצעות שיטות ייצור הפלדה המסורתיות של תנור קשת חשמלי, כך שהדבר מגביל את שוק הפלדה המשני לייצור מוצר פלדה באיכות נמוכה יותר, כגון מוטות חיזוק המשמשים בתעשיית הבנייה.
"השיטה שלנו יכולה להרחיב את שוק הפלדה המשני לתעשיות שונות", אומר פאנג. "יש לו פוטנציאל לשמש ליצירת מוצרים ברמה גבוהה יותר כמו סליל מגולוון קר המשמש במגזר הרכב, או יריעות פלדה לשרטוט עמוק, המשמשים במגזר התחבורה."
כדי להסיר נחושת מברזל מתחת ל-0.1% משקל, הצוות היה צריך לתכנן תחילה תא אלקטרוכימי שיוכל לעמוד בטמפרטורות של עד 1600 מעלות צֶלסִיוּס.
בתוך התא, חשמל זורם בין האלקטרודה השלילית (קתודה) לבין האלקטרודה החיובית (אנודה) דרך אלקטרוליט אוקסיסולפיד חדש המעוצב מסיג – פסולת שמקורה בייצור פלדה שמגיעה לעיתים קרובות למלט או למזבלות.
"שמנו את הברזל המזוהם שלנו שיש לו טומאת הנחושת כאנודה של התא האלקטרוכימי", אומר עזימי. "לאחר מכן אנו מפעילים כוח אלקטרו-מוטיבי, שהוא המתח, עם ספק כוח ואנחנו מאלצים את הנחושת להגיב עם האלקטרוליט."
"האלקטרוליט מכוון לסילוק הנחושת מהברזל כאשר אנו מפעילים חשמל על התא", מוסיף פאנג.
"כאשר אנו מפעילים חשמל בצד אחד של התא, אנו מאלצים את הנחושת להגיב עם האלקטרוליט ולצאת מברזל. בקצה השני של התא אנחנו מייצרים בו זמנית ברזל חדש".
המעבדה של אזימי שיתפה פעולה עם Tenova Goodfellow Inc., ספקית עולמית של טכנולוגיות, מוצרים ושירותים מתקדמים לתעשיות מתכת וכרייה. במבט קדימה, הצוות רוצה לאפשר את תהליך הזיקוק האלקטרו כדי להסיר מזהמים אחרים מפלדה, כולל בדיל.
"ברזל ופלדה הם המתכות הנפוצות ביותר בתעשייה, ואני חושב שקצב הייצור מגיע ל-1.9 מיליארד טון בשנה", אומר עזימי. "לשיטה שלנו יש פוטנציאל גדול להציע לתעשיית ייצור הפלדה דרך מעשית וניתנת ליישום בקלות למיחזור פלדה כדי לייצר יותר מהביקוש לפלדה בדרגה גבוהה בעולם".
