多伦多大学研究人员设计了一种新型钢铁回收方法

多伦多大学应用科学与工程学院的研究人员设计了一种回收钢铁的新方法，该方法有助于为多个制造业实现脱碳，并引领循环钢铁经济的发展。

这种新方法引入了用于电精炼的创新氧硫化物电解质，这是一种从熔融钢中去除铜和碳杂质的替代方法。该过程还产生了液体铁和硫作为副产品。

这项研究发表在《资源、保护与再循环》杂志上，论文由化学工程与应用化学系的博士生Jaesuk (Jay) Paeng、材料科学与工程系的博士校友William Judge和化学工程与应用化学系的教授Gisele Azimi共同撰写。

“我们的研究是首次报告通过电化学方法从钢铁中去除铜并将杂质降至合金水平以下，”Azimi教授说，她担任加拿大城市采矿创新研究主席。

目前，仅有25%的钢铁产品来自回收材料。但预计在未来二十年，随着全球各国政府努力实现净零排放目标，对更环保的钢铁的需求将不断增长。

钢铁是通过将铁矿石与焦炭（一种经过处理的煤）反应制成的，焦炭作为碳源，并向产生的金属中通入氧气。当前的生产工艺每生产一吨钢铁就会产生近两吨二氧化碳，这使得钢铁生产成为制造业中碳排放量最高的行业之一。

传统的钢铁回收方法使用电弧炉熔化废金属。由于在熔化前很难将铜材从废料中物理分离出来，因此该元素也存在于回收的钢铁产品中。

“二次钢铁生产的主要问题是回收的废料可能含有其他元素，包括铜，”Azimi教授说。

“随着添加更多待回收的废金属，铜的浓度会增加，当其在最终钢铁产品中的重量百分比超过0.1%时，会对钢铁的性能产生不利影响。”

使用传统的电弧炉炼钢工艺无法从熔融的钢铁废料中去除铜，因此这限制了二次钢铁市场只能生产低质量的钢铁产品，例如建筑行业中使用的钢筋。

“我们的方法可以扩展二次钢铁市场，使其进入不同的行业，”Paeng说。“它有可能用于生产更高质量的产品，如汽车行业中使用的镀锌冷轧卷或运输行业中使用的深冲钢板。”

为了将铜从铁中去除至重量百分比低于0.1%，研究团队必须首先设计一种能够承受高达1600摄氏度温度的电化学电池。

在电池内部，电流通过由炉渣制成的新型氧硫化物电解质（炉渣是炼钢产生的废物，通常最终进入水泥厂或垃圾填埋场）在负极（阴极）和正极（阳极）之间流动。

“我们将含有铜杂质的受污染铁作为电化学电池的阳极，”Azimi教授说。“然后，我们应用电动势（即电压）和电源，迫使铜与电解质发生反应。”

“当我们向电池施加电流时，电解质会瞄准从铁中去除铜的目标，”Paeng补充说。“当我们向电池的一侧施加电流时，我们迫使铜与电解质反应并从铁中分离出来。在电池的另一端，我们同时生产新的铁。”

Azimi的实验室与Tenova Goodfellow Inc.合作进行了这项研究，Tenova Goodfellow Inc.是金属和采矿业先进技术、产品和服务的全球供应商，论文的共同作者Judge在该公司担任高级研发工程师。

展望未来，研究团队希望使电精炼过程能够去除钢铁中的其他污染物，包括锡。

“铁和钢是工业中使用最广泛的金属，我认为年产量高达19亿吨，”Azimi教授说。

“我们的方法具有巨大潜力，可以为钢铁行业提供一种实用且易于实施的钢铁回收方法，以满足全球对高档钢铁日益增长的需求。”

尽管在典型的废物流中，硫氧化物是最具挑战性的杂质，但它们并非唯一杂质，团队接下来将致力于应对整套化学污染物。

帕潘盖拉基斯说：“还有许多其他杂质需要考虑，如氮氧化物、氧气等。”

“但这种方法在处理硫氧化物方面效果如此显著，这非常具有前景。在这项研究之前，人们只是理所当然地认为在升级二氧化碳之前必须去除杂质。

“我们所展示的是，可能有另一种不同的处理方法，这为我们开辟了许多新的可能性。”