วิธีผลิตเหล็กแบบใหม่ที่อาจช่วยลดการปล่อยคาร์บอน

xguru · 2024-02-11T10:02:01+09:00

เหล็กเป็นองค์ประกอบหลักของเหล็กกล้า และสร้างภาระต่อชั้นบรรยากาศของโลก โดยคิดเป็น 8% ของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกทั่วโลก นักเคมีได้พัฒนาวิธีที่อาจทำให้การผลิตเหล็กเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นอย่างมาก วิธีนี้ใช้ไฟฟ้าเปลี่ยนแร่เหล็กและน้ำเกลือให้เป็นเหล็กโลหะและสารเคมีอื่น ๆ ที่มีประโยชน์ในภาคอุตสาหกรรม มีความคุ้มค่าด้านต้นทุน ทำงานได้ดีกับไฟฟ้าจากพลังงานลมและแสงอาทิตย์ และอาจถึงขั้นเป็นคาร์บอนเนกาทีฟ คือใช้ CO2 มากกว่าที่ปล่อยออกมา การสกัดเหล็กและแนวทางใหม่ เหล็กเป็นหนึ่งในธาตุที่มีมากที่สุดบนโลก แต่ในธรรมชาติจะจับกับออกซิเจนอยู่ในแร่หลายชนิดที่ประกอบเป็นแร่เหล็ก เพื่อสกัดเหล็กโลหะ โดยทั่วไปจะนำแร่เหล็กไปผสมกับถ่านหินคาร์บอนสูงที่เรียกว่าโค้ก แล้วให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงราว 1500°C ในกระบวนการนี้ อะตอมของคาร์บอนจะดึงอะตอมออกซิเจนออกจากเหล็ก ปล่อย CO2 สู่ชั้นบรรยากาศ และเหลือโลหะหลอมเหลวไว้ ผู้ผลิตเหล็กกล้าจะนำเหล็กนี้ไปผสมกับคาร์บอนปริมาณเล็กน้อยและโลหะร่องรอยอื่น ๆ เพื่อผลิตเหล็กกล้า ปัญหาของการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า วิธีผลิตเหล็กและเหล็กกล้านี้มีต้นทุนต่ำและผ่านการพิสูจน์มาแล้วตามกาลเวลา แต่ปล่อย CO2 ออกมาจำนวนมาก ในแต่ละปีมีการขุดแร่เหล็กราว 2.5 พันล้านตัน และกระบวนการรีดิวซ์มันให้เป็นเหล็กโลหะปล่อย CO2 เทียบเท่ากับไอเสียจากรถยนต์นั่งส่วนบุคคลทั้งหมด ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงกำลังมองหาวิธีผลิตเหล็กโลหะที่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจโดยไม่สร้างก๊าซเรือนกระจก แนวทางไฟฟ้าเคมีแบบใหม่สำหรับการทำเหล็กให้บริสุทธิ์ Paul Kempler วิศวกรเคมีจาก University of Oregon และเพื่อนร่วมงานตั้งคำถามว่า จะสามารถนำกระบวนการอุตสาหกรรมที่ใช้ผลิตคลอรีนจากน้ำเกลือมาประยุกต์ใช้กับการผลิตเหล็กได้หรือไม่ ในกระบวนการ "chlor-alkali" นี้ จะนำน้ำที่มี sodium chloride เข้าไปในเซลล์ไฟฟ้าเคมี โดยที่ขั้วบวกจะดึงอิเล็กตรอนออกจากไอออนคลอไรด์เพื่อสร้างก๊าซคลอรีน ส่วนที่ขั้วลบ อิเล็กตรอนจะแยกโมเลกุลน้ำและรวมกับโซเดียมไอออนเพื่อสร้าง sodium hydroxide และก๊าซไฮโดรเจน เพื่อทำให้เหล็กบริสุทธิ์ ทีมของ Kempler ได้เติมอนุภาค iron oxide ลงที่ขั้วลบ ทำให้อิเล็กตรอนปลดปล่อยอะตอมออกซิเจนออกจาก iron oxide และก่อให้เกิด sodium hydroxide พร้อมเหลือเหล็กโลหะแข็งไว้ ประสิทธิภาพและประโยชน์ที่เป็นไปได้ของวิธีใหม่ กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพสูงมาก โดยนักวิจัยประเมินว่า หากขายคลอรีนและ sodium hydroxide บางส่วนในราคาตลาดปัจจุบัน กระบวนการทั้งหมดจะสามารถผลิตเหล็กได้ในต้นทุนใกล้เคียงกับการผลิตเหล็กด้วยเตาสูบลมร้อน เนื่องจาก sodium hydroxide สามารถจับกับ CO2 และเปลี่ยนให้เป็นแร่ที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบได้ กระบวนการนี้จึงอาจช่วยในการดักจับ CO2 และอาจเป็นคาร์บอนเนกาทีฟได้ ความท้าทายและแนวโน้มสำหรับการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม ยังมีระยะทางอีกมากระหว่างการทดลองในห้องแล็บกับกระบวนการอุตสาหกรรม และยังมีปัญหาที่ต้องแก้ในการขยายเทคโนโลยีนี้ ระบบของกลุ่มจาก Oregon ผลิตก๊าซคลอรีนได้มากพอ ๆ กับปริมาณเหล็ก ซึ่งแม้คลอรีนจะมีการใช้งานในอุตสาหกรรมมากมาย แต่ปริมาณที่เกิดจากการขยายวิธีใหม่นี้อาจมากเกินความต้องการและก่อมลพิษได้ นอกจากนี้ iron oxide ตั้งต้นยังต้องสะอาด ปราศจากสิ่งเจือปนที่พบในแร่ส่วนใหญ่ จึงอาจทำให้มีต้นทุนการทำให้บริสุทธิ์สูง Kempler ยอมรับว่าความกังวลเหล่านี้สมเหตุสมผล แต่ก็ชี้ว่า หากขยายการผลิตให้สอดคล้องกับความต้องการก๊าซคลอรีนในภาคอุตสาหกรรม ก็ยังสามารถผลิตเหล็กและคลอรีนที่ปราศจาก CO2 ได้หลายสิบล้านตันต่อปี ในด้านการทำให้ iron oxide บริสุทธิ์นั้น เป็นที่ทราบกันดีว่า sodium hydroxide สามารถจับกับสิ่งเจือปนปริมาณน้อยในแร่เหล็กได้ ดังนั้นบางส่วนอาจถูกนำมาใช้ทำให้ iron oxide บริสุทธิ์ก่อนเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งขณะนี้กำลังอยู่ระหว่างการทดสอบในโครงการนี้

(science.org)

4 คะแนน โดย xguru 2024-02-11 | 5 ความคิดเห็น | แชร์ทาง WhatsApp

เหล็กเป็นองค์ประกอบหลักของเหล็กกล้า และสร้างภาระต่อชั้นบรรยากาศของโลก โดยคิดเป็น 8% ของการปล่อยก๊าซเรือนกระจกทั่วโลก
นักเคมีได้พัฒนาวิธีที่อาจทำให้การผลิตเหล็กเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากขึ้นอย่างมาก
วิธีนี้ใช้ไฟฟ้าเปลี่ยนแร่เหล็กและน้ำเกลือให้เป็นเหล็กโลหะและสารเคมีอื่น ๆ ที่มีประโยชน์ในภาคอุตสาหกรรม มีความคุ้มค่าด้านต้นทุน ทำงานได้ดีกับไฟฟ้าจากพลังงานลมและแสงอาทิตย์ และอาจถึงขั้นเป็นคาร์บอนเนกาทีฟ คือใช้ CO2 มากกว่าที่ปล่อยออกมา

การสกัดเหล็กและแนวทางใหม่

เหล็กเป็นหนึ่งในธาตุที่มีมากที่สุดบนโลก แต่ในธรรมชาติจะจับกับออกซิเจนอยู่ในแร่หลายชนิดที่ประกอบเป็นแร่เหล็ก
เพื่อสกัดเหล็กโลหะ โดยทั่วไปจะนำแร่เหล็กไปผสมกับถ่านหินคาร์บอนสูงที่เรียกว่าโค้ก แล้วให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงราว 1500°C
ในกระบวนการนี้ อะตอมของคาร์บอนจะดึงอะตอมออกซิเจนออกจากเหล็ก ปล่อย CO2 สู่ชั้นบรรยากาศ และเหลือโลหะหลอมเหลวไว้
ผู้ผลิตเหล็กกล้าจะนำเหล็กนี้ไปผสมกับคาร์บอนปริมาณเล็กน้อยและโลหะร่องรอยอื่น ๆ เพื่อผลิตเหล็กกล้า

ปัญหาของการผลิตเหล็กและเหล็กกล้า

วิธีผลิตเหล็กและเหล็กกล้านี้มีต้นทุนต่ำและผ่านการพิสูจน์มาแล้วตามกาลเวลา แต่ปล่อย CO2 ออกมาจำนวนมาก
ในแต่ละปีมีการขุดแร่เหล็กราว 2.5 พันล้านตัน และกระบวนการรีดิวซ์มันให้เป็นเหล็กโลหะปล่อย CO2 เทียบเท่ากับไอเสียจากรถยนต์นั่งส่วนบุคคลทั้งหมด
ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงกำลังมองหาวิธีผลิตเหล็กโลหะที่คุ้มค่าทางเศรษฐกิจโดยไม่สร้างก๊าซเรือนกระจก

แนวทางไฟฟ้าเคมีแบบใหม่สำหรับการทำเหล็กให้บริสุทธิ์

Paul Kempler วิศวกรเคมีจาก University of Oregon และเพื่อนร่วมงานตั้งคำถามว่า จะสามารถนำกระบวนการอุตสาหกรรมที่ใช้ผลิตคลอรีนจากน้ำเกลือมาประยุกต์ใช้กับการผลิตเหล็กได้หรือไม่
ในกระบวนการ "chlor-alkali" นี้ จะนำน้ำที่มี sodium chloride เข้าไปในเซลล์ไฟฟ้าเคมี โดยที่ขั้วบวกจะดึงอิเล็กตรอนออกจากไอออนคลอไรด์เพื่อสร้างก๊าซคลอรีน ส่วนที่ขั้วลบ อิเล็กตรอนจะแยกโมเลกุลน้ำและรวมกับโซเดียมไอออนเพื่อสร้าง sodium hydroxide และก๊าซไฮโดรเจน
เพื่อทำให้เหล็กบริสุทธิ์ ทีมของ Kempler ได้เติมอนุภาค iron oxide ลงที่ขั้วลบ ทำให้อิเล็กตรอนปลดปล่อยอะตอมออกซิเจนออกจาก iron oxide และก่อให้เกิด sodium hydroxide พร้อมเหลือเหล็กโลหะแข็งไว้

ประสิทธิภาพและประโยชน์ที่เป็นไปได้ของวิธีใหม่

กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพสูงมาก โดยนักวิจัยประเมินว่า หากขายคลอรีนและ sodium hydroxide บางส่วนในราคาตลาดปัจจุบัน กระบวนการทั้งหมดจะสามารถผลิตเหล็กได้ในต้นทุนใกล้เคียงกับการผลิตเหล็กด้วยเตาสูบลมร้อน
เนื่องจาก sodium hydroxide สามารถจับกับ CO2 และเปลี่ยนให้เป็นแร่ที่มีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบได้ กระบวนการนี้จึงอาจช่วยในการดักจับ CO2 และอาจเป็นคาร์บอนเนกาทีฟได้

ความท้าทายและแนวโน้มสำหรับการประยุกต์ใช้ในอุตสาหกรรม

ยังมีระยะทางอีกมากระหว่างการทดลองในห้องแล็บกับกระบวนการอุตสาหกรรม และยังมีปัญหาที่ต้องแก้ในการขยายเทคโนโลยีนี้
ระบบของกลุ่มจาก Oregon ผลิตก๊าซคลอรีนได้มากพอ ๆ กับปริมาณเหล็ก ซึ่งแม้คลอรีนจะมีการใช้งานในอุตสาหกรรมมากมาย แต่ปริมาณที่เกิดจากการขยายวิธีใหม่นี้อาจมากเกินความต้องการและก่อมลพิษได้
นอกจากนี้ iron oxide ตั้งต้นยังต้องสะอาด ปราศจากสิ่งเจือปนที่พบในแร่ส่วนใหญ่ จึงอาจทำให้มีต้นทุนการทำให้บริสุทธิ์สูง
Kempler ยอมรับว่าความกังวลเหล่านี้สมเหตุสมผล แต่ก็ชี้ว่า หากขยายการผลิตให้สอดคล้องกับความต้องการก๊าซคลอรีนในภาคอุตสาหกรรม ก็ยังสามารถผลิตเหล็กและคลอรีนที่ปราศจาก CO2 ได้หลายสิบล้านตันต่อปี
ในด้านการทำให้ iron oxide บริสุทธิ์นั้น เป็นที่ทราบกันดีว่า sodium hydroxide สามารถจับกับสิ่งเจือปนปริมาณน้อยในแร่เหล็กได้ ดังนั้นบางส่วนอาจถูกนำมาใช้ทำให้ iron oxide บริสุทธิ์ก่อนเข้าสู่เครื่องปฏิกรณ์ ซึ่งขณะนี้กำลังอยู่ระหว่างการทดสอบในโครงการนี้

5 ความคิดเห็น

rich8485 2024-02-11

ถึงกับทำให้อยากสมัครสมาชิกเลยนะ พวกนี้...
ปั่นกระแสกันได้สารพัดจริงๆ
ทำแบบนี้แล้วแค่เปลี่ยนคำไปคำเดียว เนื้อแท้มันต่างกันตรงไหนกัน?
บอกว่าเข้ากันได้ดีกับไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลม? 555
อะไรกัน ไฟฟ้านั่นมันเป็นไฟฟ้าซูเปอร์อัลตร้าหรือไง โธ่เอ๊ยพวกคุณ... จะฝืนทำให้เข้าใจว่าเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมเพราะเป็นพลังงานหมุนเวียนก็พอเข้าใจอยู่หรอก แต่สุดท้ายมันไม่ใช่การหลงตัวเองกันไปหน่อยเหรอ?

constexprif 2024-02-13

ถึงพลังงานแสงอาทิตย์กับพลังงานลมจะไม่ใช่คำตอบ แต่ถ้าได้ไฟฟ้าซูเปอร์อัลตร้าที่แท้จริงออกมาจริง ๆ ก็น่าจะกลายเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมได้ครับ

halfenif 2024-02-11

จากมุมมองของคนที่กำลังทำโปรเจกต์ไอทีซึ่งเชื่อมโยงกับ "ความเป็นกลางทางคาร์บอนปี 2050" แบบค่อนข้างห่าง ๆ อยู่ในตอนนี้ ผมว่ามันน่าสนใจมาก

เดิมทีผมคิดว่าการปล่อยคาร์บอนหรือการผลิตเหล็กคงไม่ค่อยเกี่ยวอะไรกับงานไอทีที่ผมทำ.. แต่พอมาตรวจดูภาพรวมของโปรเจกต์จริง ๆ ก็รู้สึกว่าน่าจะมีโปรเจกต์ที่เริ่มต้นขึ้นเพราะงานที่เกี่ยวข้องกับการปล่อยคาร์บอนเพิ่มมากขึ้นเรื่อย ๆ

xguru 2024-02-11

ความเห็นจาก Hacker News

มุมมองจากผู้เล่นเกม Factorio
- หากอัปเกรดการผลิตเหล็กเป็นเตาหลอมไฟฟ้า ก็จะช่วยลดมลพิษและประหยัดสายพานลำเลียงถ่านหินได้
- การใช้แผงโซลาร์เป็นทางเลือกที่ดี
ความเห็นเกี่ยวกับกระบวนการคลอร์-อัลคาไล
- กระบวนการคลอร์-อัลคาไลสร้างไดออกซินและสารประกอบโพลีคลอริเนต ซึ่งคิดเป็นมากกว่า 80% ของของเสียพิษ
- การเปลี่ยนการถลุงเหล็กไปเป็นอิเล็กโทรลิซิสคงไม่ใช่ยาครอบจักรวาล
- แต่การวิจัยนี้อาจมีประโยชน์ต่อการรีดิวซ์ธาตุของโลหะชนิดอื่นที่ไม่ใช่โลหะปริมาณมาก
ความเห็นเกี่ยวกับการผลิตเหล็กกล้าในสหราชอาณาจักร
- สหราชอาณาจักรหยุดผลิตเหล็กกล้าภายในประเทศ แล้วหันไปนำเข้าแทน เพื่อทำเหมือนไม่ได้ปล่อย CO2
มุมมองต่อการผลิตเหล็กกล้าด้วยไฟฟ้า
- พื้นที่ทะเลทรายที่มีแสงอาทิตย์อุดมสมบูรณ์ เช่น แอฟริกาเหนือหรือตะวันออกกลาง เป็นสถานที่ที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการผลิตเหล็กกล้า
ความประทับใจต่อการวิจัยการผลิตเหล็กจากผลพลอยได้ที่เป็นพิษของการถลุงอะลูมิเนียม
- งานวิจัยเกี่ยวกับวิธีที่คุ้มทุนในการเปลี่ยนเรดมัด ซึ่งเป็นผลพลอยได้ที่เป็นพิษจากการถลุงอะลูมิเนียม ให้กลายเป็นเหล็กที่มีมูลค่า เป็นสิ่งที่น่าประทับใจ
การกล่าวถึงการผลักดัน 'กรีนสตีล' ของเยอรมนี
- ขณะนี้เยอรมนีกำลังผลักดัน 'กรีนสตีล' อย่างจริงจังมาก
ตอนหนึ่งเกี่ยวกับการผลิตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์แบบคาร์บอนติดลบ
- ตอนเกี่ยวกับการผลิตปูนซีเมนต์ปอร์ตแลนด์แบบคาร์บอนติดลบสำหรับงานก่อสร้างน่าสนใจมาก
การกล่าวถึงการปรับปรุงกระบวนการของบริษัท Helios Space
- มีบริษัทชื่อ Helios Space ที่แก้ปัญหาได้หลายอย่างด้วยการเติมโซเดียม และวิธีนี้ยังอาจนำไปใช้กับการถลุงธาตุอื่นได้ด้วย
ข้อเสนอเกี่ยวกับแบตเตอรี่กรด-ด่างแบบโฟลว์
- มีคำถามว่าสามารถใช้ HCL และ NAOH เพื่อขับเคลื่อนแบตเตอรี่กรด-ด่างแบบโฟลว์ในช่วงพีคได้หรือไม่
- ประสิทธิภาพอาจต่ำ เพราะต้องผลิตไฮโดรเจนผ่านอิเล็กโทรลิซิส
มุมมองเชิงวิจารณ์ต่อข้ออ้างทางเศรษฐศาสตร์
- ในการ peer review จะตรวจสอบวิธีการทดลองและการวิเคราะห์ข้อมูล แต่ไม่ใช่ข้ออ้างทางเศรษฐศาสตร์
- จำเป็นต้องมีการผลิตก๊าซคลอรีนปริมาณมาก (ซึ่งมีพิษสูงมาก) และแร่เหล็กที่มีความบริสุทธิ์สูงมาก แต่กลับไม่มีการพิจารณาต้นทุนในการทำให้บริสุทธิ์