Um único passo dos minérios para os metais sustentáveis

Metais e ligas podem ser extraídos, misturados e processados ​​em uma única etapa com eficiência energética e sem emissões de CO2

Metais e ligas poderão ser produzidos facilmente e de forma neutra para o clima no futuro. Uma equipe do Instituto Max Planck de Materiais Sustentáveis ​​apresenta um novo conceito de design que combina a extração, mistura e processamento de materiais metálicos em uma única etapa do processo. Os pesquisadores também usam hidrogênio em vez de carbono como fonte de energia e agente redutor, para que nenhum CO₂ é produzido durante o processo. Os minérios metálicos são processados ​​em ligas prontas para uso a apenas 700 graus Celsius, sem aquecimento e resfriamento repetidos. Isso economiza 40% de energia em comparação com a metalurgia convencional.

A produção de metal é responsável por 10% do CO global₂ emissões, com a produção de ferro emitindo duas toneladas de CO₂ para cada tonelada de metal produzida, e a produção de níquel emite 14 toneladas de CO₂ por tonelada e até mais, dependendo do minério utilizado. Esses metais formam a base de ligas que apresentam baixa expansão térmica, chamadas Invar. Eles são essenciais para os setores aeroespacial, transporte criogênico, energia e instrumentos de precisão. Reconhecendo o impacto ambiental, os cientistas do Instituto Max Planck para Materiais Sustentáveis ​​desenvolveram agora um novo método para produzir ligas Invar sem emitir CO₂ ao mesmo tempo que economiza uma grande quantidade de energia – conseguindo isso em um processo de etapa única que integra extração de metal, liga e processamento termomecânico em um único reator e etapa de processo. Sua abordagem dissolve algumas das fronteiras clássicas entre a metalurgia extrativa e a física, inspirando a conversão direta de óxidos em produtos dignos de aplicação em uma única operação de estado sólido. Suas descobertas foram publicadas na revista Natureza.

A metalurgia em uma etapa economiza energia e CO₂

-Nós nos perguntamos: podemos produzir uma liga com combinação de propriedades microestruturais quase otimizada diretamente a partir de minérios ou óxidos com zero CO₂ emissão?- diz Shaolou Wei, pesquisador Humboldt do Instituto Max Planck de Materiais Sustentáveis. A produção de liga convencional é normalmente um processo de três etapas: primeiro, redução dos minérios à sua forma metálica, depois mistura de elementos liquefeitos para criar a liga e, finalmente, aplicação de tratamentos termomecânicos para atingir as propriedades desejadas. Cada uma dessas etapas consome muita energia e depende do carbono como transportador de energia e agente redutor, resultando em CO significativo₂ emissões. -A ideia principal é entender a termodinâmica e cinética de cada elemento e usar óxidos com redutibilidade e capacidade de mistura semelhantes em torno de 700 graus Celsius-, continua Shaolou, -Essa temperatura está muito abaixo do ponto de fusão em massa, o que ainda nos permite extrair metais de seus estados de óxido e misturados em ligas por meio de uma única etapa do processo de estado sólido sem reaquecimento.-

Ao contrário dos métodos convencionais em que os minérios são reduzidos com carbono, o que resulta em metais contaminados com carbono, o novo método da equipa utiliza hidrogénio como agente redutor. -Usar hidrogénio em vez de carbono traz quatro vantagens principais,- explica Dierk Raabe, diretor administrativo do Instituto Max Planck para Materiais Sustentáveis. -Primeiro, a redução à base de hidrogênio produz apenas água como subproduto, o que significa zero CO₂ emissões. Em segundo lugar, produz metais puros diretamente, eliminando a necessidade de remover carbono do produto final, economizando assim tempo e energia. Terceiro, realizamos o processo a temperaturas comparativamente baixas, no estado sólido. Quarto, evitamos o resfriamento e o reaquecimento frequentes característicos dos processos metalúrgicos convencionais. – As ligas Invar resultantes produzidas usando esta técnica não apenas correspondem às propriedades de baixa expansão térmica das ligas Invar produzidas convencionalmente, mas também oferecem resistência mecânica superior devido ao tamanho de grão refinado. naturalmente herdado do processo.

Upscaling para dimensões industriais

Os cientistas do Max Planck demonstraram que a produção de ligas Invar através de um processo rápido, livre de carbono e com eficiência energética não é apenas possível, mas também altamente promissora. No entanto, dimensionar este método para atender às demandas industriais apresenta três desafios principais: primeiro, embora os pesquisadores usassem óxidos puros para um estudo de prova de conceito, as aplicações industriais provavelmente envolveriam óxidos convencionais carregados de impurezas. Isto introduz a necessidade de adaptar o processo para lidar com materiais menos refinados, mantendo a qualidade da liga. Em segundo lugar, a utilização de hidrogénio puro no processo de redução, embora eficaz, é dispendiosa para operações em grande escala. A equipa está agora a realizar experiências com concentrações mais baixas de hidrogénio a temperaturas elevadas para encontrar um equilíbrio ideal entre a utilização do hidrogénio e os custos de energia, tornando o processo mais viável economicamente para a indústria. Terceiro, embora o método atual utilize sinterização sem pressão, a produção de materiais a granel finamente grosseiros em escala industrial provavelmente exigiria a adição de etapas de prensagem. A incorporação da deformação mecânica no mesmo processo poderia melhorar ainda mais a integridade estrutural do material, ao mesmo tempo que manteria a produção simplificada.

Olhando para o futuro, a versatilidade deste processo de uma só etapa abre novas possibilidades. Como o ferro, o níquel, o cobre e o cobalto podem ser processados ​​dessa maneira, as ligas de alta entropia poderiam ser o próximo foco. Estas ligas, conhecidas pela sua capacidade de manter propriedades únicas numa ampla gama de composições, têm potencial para o desenvolvimento de novos materiais, tais como ligas magnéticas macias, ideais para aplicações de alta tecnologia. Outra direção promissora poderia ser a utilização de resíduos metalúrgicos em vez de óxidos puros. Ao remover as impurezas dos resíduos, esta abordagem poderia transformar subprodutos industriais em matérias-primas valiosas, aumentando ainda mais a sustentabilidade da produção de metal.