فرآیندهای استخراج فلزات در حال تکامل

صنعت فلزات پیش از این لحظات دگرگونی را تجربه کرده است: فرآیند بسمر، ذوب سریع، کوره‌های قوس الکتریکی و ریخته‌گری پیوسته مدرن، همگی آنچه را که ممکن بود تغییر دادند.

با این حال، برای بیش از یک قرن، بیشتر فرآیندهای استخراج متکی به تکنیک‌ها و مسیرهایی هستند که برای متالورژیست‌ها از نسل‌های قبل آشنا بودند. فرآیندها بزرگ‌تر شده‌اند و سیستم‌های کنترل هوشمندتر شده‌اند، اما علم اساسی پشت جداسازی فلزات از سنگ معدن کمتر از آن چیزی که بسیاری تصور می‌کنند تغییر کرده است.

چالش‌های مواد امروزی با چالش‌های قرن بیستم متفاوت است، اما چرا فلزات حیاتی هنوز با استفاده از پایه‌های علمی مشابه تولید می‌شوند؟

EvoMaterials، یک پلت فرم فناوری توسعه یافته توسط Outokumpu - رهبر جهانی فولاد ضد زنگ پایدار و تولید کننده فروکروم با 67٪ ردپای کربن کمتر از میانگین صنعت - در حال بررسی این سوال با بازاندیشی در مورد چگونگی استخراج فلزات است:

کاسپار استین، مدیر فنی متالورژی استخراجی در Outokumpu می‌گوید: «ما تصمیم گرفتیم از محدودیت‌های فعلی فراتر برویم و اساسا به بهترین راه برای انجام این کار با بهره‌مندی از دانش مهندسی علمی و آینده نگری که امروز داریم، نگاه کنیم. ما به دنبال این هستیم که چگونه می توانیم تولید فلزات را دوباره تصور کنیم.

یک مشکل زنجیره تامین که به عنوان یک مشکل مواد پنهان شده است

همانطور که اقتصادها گسترش می‌یابند و جهان به طور فزاینده‌ای برق‌دار می‌شود، داده‌ها و مدل‌های علمی به افزایش تقاضا برای بسیاری از مواد معدنی اشاره می‌کنند که ناشی از فناوری‌هایی از مراکز داده گرفته تا هوافضا، تصفیه آب، سیستم‌های انرژی و دفاع است. به گفته آنتوان آلانور، پروفسور متالورژی در موسسه فناوری ماساچوست (MIT) این مصادف است با بسیاری از اقتصادهای غربی که ظرفیت پردازش داخلی خود را برای فلزاتی که این صنایع به آنها وابسته هستند کاهش داده اند.

متالورژی در حال حاضر از نظر استراتژیک مهم است و نه تنها بر اساس هزینه و در دسترس بودن، بلکه توسط ردپای کربن، منشاء جغرافیایی و انعطاف‌پذیری زنجیره تامین شکل می‌گیرد.

این واقعیت به ویژه برای کروم و سایر فلزات ویژه مورد استفاده در محیط های با دمای بالا و شدید مرتبط است. مواد مبتنی بر کروم نقش مهمی در سیستم‌های هوافضا، تولید برق، زیرساخت‌های مقاوم در برابر خوردگی و فن‌آوری‌های دفاعی دارند، جایی که مواد باید در شرایط سخت عمل کنند.

فراتر از بهینه سازی

برای چندین دهه، نوآوری متالورژی عمدتا بر بهبود بازده، بهره وری انرژی و کنترل فرآیند متمرکز بود. EvoMaterials مبتنی بر این ایده است که برخی از فرآیندهای متالورژی ممکن است از مسیرهای شیمیایی کاملا متفاوتی بهره مند شوند.

این پلت فرم از تحقیقات در زمینه فناوری های پردازش مبتنی بر سولفیداسیون سرچشمه می گیرد که در ابتدا برای کاهش انتشار کربن مرتبط با تولید فروکروم دنبال شد. کار آزمایشگاهی پتانسیل گسترده تری را نشان داد.

آزمایشات در مقیاس آزمایشگاهی نشان داد که این شیمی فرآیند جایگزین به طور بالقوه می تواند بیشتر از انتشار کمتر باشد. آنها می توانند فلزات ارزشمند را از منابع درجه پایین تر و جریان های جانبی صنعتی بازیابی کنند و در عین حال نحوه انجام فرآیندهای جداسازی را به طور اساسی تغییر دهند. فرصت بازنگری در نحوه استفاده از منابع معدنی و میزان ارزشی که می توان از آنها استخراج کرد، است که باعث بهره وری بیشتر منابع و رقابت صنعتی قوی تر می شود.

درک ذوب سنتی در مقابل فناوری اختصاصی جدید

منبع: Outokumpu

توسعه این فناوری در ایالات متحده در سال 2021 برای کرومیت از معدن Outokumpu's Kemi در فنلاند، تنها معدن کروم در اتحادیه اروپا و یکی از معدود عملیات های مشابه در سراسر جهان غرب، در ایالات متحده آغاز شد. از آن زمان، Outokumpu این فناوری را از طریق تحقیق و توسعه گسترده، ترکیب شیمی فرآیندهای جدید با تخصص متالورژی اختصاصی، که تا حدی توسط یک توافق نامه مجوز غیر انحصاری ثبت اختراع از MIT پشتیبانی می شود، تکامل داده است.

آلنور توضیح می دهد: «این فناوری یک کاربرد جدید برای جداسازی عناصر فلزی از مواد است. از لحاظ تاریخی، این جداسازی با استفاده از رویکردهای کربن و انرژی فشرده به دست آمده است. روش جدید محیط شیمیایی متفاوتی را ایجاد می‌کند که استخراج کارآمدتر با تلفات کمتر و محصولات جانبی ناخواسته کمتر را امکان‌پذیر می‌سازد و مواد حیاتی را از منابعی که ضایعات محسوب می‌شوند بازیابی می‌کند.

نوآوری در مرزها اتفاق می افتد

EvoMaterials در تقاطع چندین رشته علمی قرار دارد، ترکیبی که به شدت با Stinn طنین انداز می شود، که دکترای خود را در علوم و مهندسی مواد در MIT به پایان رساند، جایی که تحقیقاتش بر روی فناوری های پردازش و بازیافت فلزات کم کربن متمرکز بود.

نوآوری مواد مدرن از ترکیب رو به رشدی از شیمی، علم مواد، فیزیک، مدل‌سازی محاسباتی و مهندسی استفاده می‌کند. با ابزارهای شبیه‌سازی پیشرفته و هوش مصنوعی که به محققان کمک می‌کند مسیرهای امیدوارکننده را شناسایی کنند، اکتشافات علمی همچنان به آزمایش و آزمایش در آزمایشگاه بستگی دارد - به کثیف کردن دست‌ها و انجام کارهای سخت.

استین می‌گوید: «علم امروز بسیار بیشتر از گذشته بین رشته‌ای است و همکاری بین رشته‌ها فرصت‌های علمی جدیدی را نشان می‌دهد. مهندسی می تواند این فرصت ها را به تولید فلزات کارآمدتر و مقرون به صرفه تر تبدیل کند.

ساخت یک پلتفرم فناوری

یک جنبه فنی مهم EvoMaterials این است که یک فرآیند واحد نیست، بلکه یک پلت فرم فناوری است. Allanore EvoMaterials را با فناوری‌های پلتفرم در صنایع دیگر مقایسه می‌کند، جایی که یک پیشرفت علمی واحد می‌تواند چندین برنامه پایین‌دستی را فعال کند.

هنگامی که یک مسیر استخراج جدید برای یک سیستم مواد تسلط یافت، همان اصول علمی ممکن است با فلزات و منابع معدنی کاملا متفاوت تطبیق داده شود. برنامه اولیه تنها نقطه شروع می شود.

آلنور توضیح می‌دهد: «آینده و تأثیر بالقوه ممکن است بسیار گسترده‌تر از تحولات اصلی و فعلی باشد که در حال وقوع هستند».

این امکان به طور فزاینده ای اهمیت پیدا می کند زیرا صنایع به دنبال تامین ایمن نیکل، کروم، مولیبدن و سایر مواد استراتژیک مورد نیاز برای تولید پیشرفته هستند.

آینده شرکت های مواد

مفهوم گسترده تر فراتر از متالورژی است. شرکت‌هایی که فناوری‌های فرآیند انحصاری را توسعه می‌دهند ممکن است از طریق تولید و همچنین از طریق مالکیت معنوی و تخصص علمی ارزش ایجاد کنند.

بر اساس رهبری فناوری Outokumpu، این انتقال می‌تواند مقوله‌های کاملا جدیدی از ارزش ایجاد کند، که امکان تولید مواد حیاتی با ارزش بالا را از سنگ معدن و جریان‌های منابعی که قبلا غیراقتصادی یا غیرقابل دسترس به نظر می‌رسیدند، می‌دهد.

نتیجه یک تغییر اساسی در نحوه تولید فلزات خواهد بود، جایی که پایداری، کارایی منابع، امنیت عرضه و ارزش اقتصادی به جای اهداف مجزا، به نتایج یک معماری تکنولوژیکی تبدیل می‌شوند.

گام بعدی برای EvoMaterials اعتبار سنجی در مقیاس آزمایشی است، با یک کارخانه آزمایشی در نیوهمپشایر که در نیمه اول سال 2027 فعالیت خود را آغاز خواهد کرد. این مرکز، فناوری اختصاصی را از آزمایشگاه به تولید یک تنی مقیاس خواهد داد و گامی به سوی استقرار در مقیاس صنعتی با هدف سال 2030 ارائه خواهد کرد. این پلت فرم می تواند با سایر مواد استراتژیک از جمله نیکل و مولیبدن سازگار شود.

این کار یک سوال گسترده‌تر را مطرح می‌کند - چه تعداد از فرآیندهای متالورژی امروزی اگر از ابتدا اختراع شوند یکسان به نظر می‌رسند؟ یا می‌توان آن مسیرها را امروز متفاوت طراحی کرد؟

انقلاب بعدی در مواد ممکن است با بازاندیشی در چگونگی استخراج فلزاتی که جامعه به آنها وابسته است آغاز شود.

درباره این موضوع بیشتر بخوانید و از کاسپار استین و آنتوان آلانور بیشتر بشنوید.

این محتوا توسط Outokumpu تولید شده است. این توسط هیات تحریریه MIT Technology Review نوشته نشده است.