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材料再利用和再循環是可持續發展的關鍵戰略，有助于材料閉環，以實現循環經濟。但這是一個缺乏技術創新的領域，迫切需要新的、創新的回收技術，迄今為止，材料開發的復雜性和規模已經超過了這些技術。

在商品金屬中，鋼鐵的回收尤為重要。煉鋼每年生產19億噸粗鋼，占所有人為CO₂排放量的約7%。大多數CO₂來自綜合工廠粗鋼生產的直接排放，每噸鋼排放2.1-2.6噸CO₂。與此同時，在迷你工廠中使用電弧爐（EAF）回收鋼廢料每噸鋼只排放0.4-1.0噸CO₂，其中大多數CO₂是發電的間接排放。因此，當通過回收保持的閉環后，CO₂排放量將大幅減少。然而，這一結果取決于回收鋼的質量能否滿足需求。

鋼鐵消費者一直要求更高質量的鋼材，這些鋼材需要嚴格控制碳等元素。例如，在先進的高強度鋼中，孿生誘導塑性對碳特別敏感，對車輛安全很重要。其他汽車應用需要超低碳（<0.003 wt%）才能實現深度拉伸和更薄的車身面板。在不銹鋼中，碳也保持在低水平，以減少致敏。要進入循環經濟，二級煉鋼必須滿足這些需求，并將低價值廢料轉化為高價值鋼材。

Nature Materials：電化學煉鐵，大大降低能源消耗！

▲電弧爐

為了滿足材料要求，EAF生產的熔鐵通常需要在幾個反應堆中進行處理。需要通過氬氧脫碳、真空罐脫氣或再循環脫氣進行精煉，才能將碳降至低水平。雖然這些技術會使鐵脫碳，但它們是批量加工，消耗試劑，并將金屬流失到礦渣中。另一個挑戰是原料的可變性。廢料成分差異很大，EAF通常含有一些高達4wt%碳的直接還原鐵。因此，需要新技術來處理各種原料，以更少的試劑生產高價值產品。

多倫多大學的Gisele Azimi教授等人在Nature Materials上發布了最新的研究成果，Electrorefining for direct decarburization of molten iron，在這里作者提出了電精煉的概念，用于鐵的直接脫碳。

在這里，作者演示了電精煉直接對鐵水脫碳的概念（上圖）。鐵液陽極極化后，熔渣電解液中的氧化物離子通過一系列的電子轉移步驟直接與鐵中溶解的C反應生成CO，然后是氣態CO的解吸。CO從陽極釋放出來時，有價值的冶金級硅作為副產品在陰極被回收，用于鋼鐵廠。與高度依賴溶解氧反應的傳統實踐截然不同，這里的電精煉通過直接界面反應實現脫碳。作者的工藝適用于含任何碳含量的鐵水，已經演示了超低碳鋼的生產。電精煉能耗低，不需要試劑，自混合，從渣中回收金屬。

除了滿足目前對高質量鋼的需求外，作者還希望通過簡單的工藝控制和降低氣體、脫氧劑和耐火材料的消耗來節約潛在的成本。除了作為一個獨立的過程操作外，電精煉還可以與現有技術結合使用，以加強精煉。

為了了解能量需求，作者使用平均電池電位和電流效率來確定具體的能量消耗。具體能耗大多保持在每公斤碳10-20千瓦時左右，而理論能耗范圍為每公斤碳2-8千瓦時。總體而言，電精煉的能耗低，而含碳量低的產品附加值高。

這種電精煉的主要應用在電弧爐小型鋼廠，用于回收現有電力基礎設施和生產高價值產品的鋼鐵。通過提高回收鋼材的質量，電精煉有助于關閉材料循環，減少資源消耗，減少煉鋼過程中的排放。

圖文詳情

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圖1. 實驗證明，在1600°C下，電精煉可直接脫碳含碳量為3.78%的鐵水

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圖2. 電化學技術闡明了鐵液在1600°C下的脫碳途徑

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圖3. 鐵水電精煉過程中直接脫碳機理示意圖

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圖4. 電精煉過程在不同碳濃度范圍內的性能和基準

文獻信息

Judge, W.D., Paeng, J. & Azimi, G. Electrorefining for direct decarburization of molten iron. Nat. Mater. (2021).

https://doi.org/10.1038/s41563-021-01106-z

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