Produzione di acciaio è la sorprendente fonte dell’8% di tutti i gas serra oggi. La maggior parte avviene quando si converte il minerale di ferro in ferro fuso. Di solito ciò significa con il carbone.
Con una migliore e più completa comprensione della chimica che trasforma il minerale di ferro grezzo in acciaio solido, i ricercatori di Stanford sperano di decarbonizzare una delle industrie a maggior intensità di carbonio del mondo.
D’altra parte, il combustibile a idrogeno a combustione pulita, che produce solo acqua pura come sottoprodotto, rappresenta un’alternativa molto più sostenibile e probabilmente sarebbe stato adottato molto tempo fa se non fosse stato per le sfide tecniche che continuano a favorire il carbone.
Produzione industriale, taglio acciaio – foto illustrativa. Credito immagine: Clayton Cardinalli tramite Unsplash, licenza gratuita
Gli ingegneri sono ansiosi di cambiare questo calcolo. Recentemente, Stanford Leora Dresselhaus-Marais e un team multi-istituzionale di colleghi ha rivelato che sono le particelle su scala nanometrica più piccole presenti nel minerale di ferro a essere la causa di queste sfide tecniche. La scoperta, dicono, potrebbe aprire la strada ai reattori “green steel” basati sull’idrogeno della nuova era.
“La produzione di acciaio basata sull’idrogeno diventa meno efficiente nel tempo a differenza delle centrali a carbone, ma nessuno ha capito esattamente perché”, afferma Dresselhaus-Marais, assistente professore di scienza e ingegneria dei materiali, di lo studio che appare in Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze (PNAS).
“Il nostro scopo qui era stabilire i principi scientifici che governano le prestazioni dei reattori per migliorare i reattori esistenti – o, potenzialmente, immaginare nuovi reattori più puliti di domani”.
Grazia della rasatura
Il processo di baffatura è ben noto, ma non ben compreso per una miriade di ragioni. Nei reattori, sotto l’elevato calore della reazione dell’idrogeno, spiega Dresselhaus-Marais, le nanoparticelle sempre presenti nei minerali si autoassemblano per formare strutture allungate, simili a baffi, che intasano i reattori e ne riducono l’efficienza nel tempo. Alla fine, ciò porta al guasto del reattore che ha relegato la produzione di acciaio a base di idrogeno nel dimenticatoio.
Dresselhaus-Marais e il suo team hanno deciso di risolvere il problema. Hanno illustrato il ruolo fondamentale che le nanoparticelle svolgono nella formazione dei baffi. Questi minuscoli trucioli, o “fini”, come sono conosciuti, sono prevalenti nella polvere di minerale di ferro e vengono prodotti durante la lavorazione e il trasporto del minerale quando pellet di minerale di ferro più grandi, su scala millimetrica, si sfregano insieme. Le particelle fini possono essere da cento a centomila volte più piccole del pellet medio.
La produzione del ferro è un processo in più fasi in cui il minerale di ferro (ematite, Fe2O3) viene ossidato prima in magnetite (Fe3O4) e poi in un materiale intermedio noto come wüstite (Fe1-xO) prima di poter essere raffinato nel ferro puro (Fe). adatto per la produzione dell’acciaio.
Il passo impegnativo, rivela il team, è il passaggio dalla wüstite al ferro puro. I ricercatori hanno esplorato e descritto con precisione per la prima volta come esattamente la wüstite passa al ferro utilizzando la microscopia elettronica avanzata e metodi di diffusione dei raggi X.
Semplificazione del processo
Precedenti studi sul whisking avevano esaminato solo i pellet su scala millimetrica, trascurando il ruolo svolto dalle particelle fini nel processo di whisking. Ma sono proprio queste particelle più piccole che contano di più. A temperature specifiche, si attaccano insieme creando i baffi che intasano i reattori e causano guasti.
“Si scopre che l’acciaio è una delle più grandi industrie di nanoparticelle esistenti”, afferma Dresselhaus-Marais. “Speriamo che l’industria possa ora sfruttare le opportunità della nanochimica per controllare meglio il processo di riduzione dell’idrogeno ed evitare – o eliminare – il fenomeno del whiskering”.
Questi risultati hanno importanti implicazioni per il futuro dell’acciaio verde. Nello specifico, Dresselhaus-Marais ha dimostrato che il percorso di reazione è fondamentalmente diverso per le nanoparticelle rispetto alle macroparticelle e che il whiskering può verificarsi solo tra gruppi di nanoparticelle, anche quando non hanno macroparticelle a cui agganciarsi.
“Suggeriamo che sarebbe preferibile saltare la fase wüstite e passare direttamente dalla magnetite al ferro puro, ma è più facile a dirsi che a farsi”, afferma.
“Tuttavia, queste nuove intuizioni potrebbero aprire l’industria siderurgica a materie prime non convenzionali ma promettenti, forse addirittura aggirando del tutto la pellettizzazione, per progettare e ottimizzare nuovi processi di acciaio verde per il futuro”.
Fonte: Università di Stanford
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
