Forschungsteam kann grünen Stahl aus giftigen Abfällen der Aluminium-Produktion gewinnen

Bei der Gewinnung von Aluminium fällt giftiger Rotschlamm als Abfallprodukt an. Forscher:innen haben nun eine Methode gefunden, um diesen Schlamm nicht nur unschädlich zu machen, sondern auch im Rahmen des Prozesses reichlich reines Eisen für die Produktion von Stahl zu gewinnen. Das Verfahren ist nicht nur schnell, sondern auch wirtschaftlich rentabel.

Giftiger Rotschlamm aus Aluminiumproduktion

Stahl und Aluminium gehören ohne Zweifel zu den wichtigsten metallischen Rohstoffen. Allerdings ist ihre Herstellung energie- und rohstoffintensiv. Allein die Stahlindustrie ist für etwa sieben Prozent der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Die meisten dieser Emissionen fallen bei der Reduktion der oxidierten Eisenerze zu metallischem Eisen an. Aluminiumgewinnung wiederum ist deshalb problematisch, weil bei der Extraktion des Metalls Rotschlamm anfällt, ein giftiges Gemisch verschiedener Metalloxide und Schwemetalle.

„Es fallen rund 180 Millionen Tonnen Rotschlamm jährlich an, dadurch haben sich weltweit schon rund vier Milliarden Tonnen davon angesammelt„, so das Team rund im Matic Jovicevic-Klug vom Max-Planck-Institut für Eisenforschung in Düsseldorf. Dieser Rotschlamm enthält zwar durchaus noch nutzbare Rohstoffe, allerdings ist seine Aufbereitung teuer und zeitaufwändig, da ein mehrschrittiger Prozess für die Auftrennung und Reinigung der Rohstoffe erforderlich ist. Deshalb werden etwa drei Prozent des Bauxitschlamms recycelt, während der Rest in riesigen Becken gelagert wird. Teilweise wird der Schlamm auch aufwändig getrocknet und dann zu Deponien verbracht. Unfälle mit auslaufendem Rotschlamm sind zwar relativ selten, können aber verheerende Auswirkungen haben.

Plasmabehandlung für den Schlamm

Die Forscher:innen konnten nun zeigen, dass es auch andere Wege gibt, um mit dem giftigen Rotschlamm umzugehen. Das Team fand nämlich einen Weg, das im Rotschlamm enthaltene Eisenoxid abzutrennen und es gleichzeitig zu metallischem Eisen zu reduzieren. Dafür benötigen die Forscher:innen lediglich einen einzelnen Schritt.

Dafür bringen sie den Rotschlamm mit heißem Wasserstoffplasma in Kontakt, das in einem Elektrolichtbogenofen erzeugt wird. Der Schlamm wird dabei dann sowohl erhitzt als auch reduzierenden Bedingungen ausgesetzt. Ein experimenteller Nachweis im kleinen Maßstab ermöglichte es den Forscher:innen, die Veränderungen, die der Rotschlamm während des Prozesses durchläuft, direkt nachverfolgen zu können.

Verfahren gewinnt Eisen und neutralisiert den giftigen Schlamm

Wie sich herausstellte, löst das heiße Plasma bereits nach einigen Minuten erster Veränderungen im Rotschlamm aus. Dabei wird das Eisenoxid thermisch zerlegt, aus dem Hämatit wird Titanomagnetit. Anschließend wird dieses Zwischenprodukt vom Plasma weiter reduziert, es entsteht metallisches Eisen, das in winzigen Kügelchen aus flüssigem Metall vorliegt. Diese Kügelchen sammeln sich dann am Grund der Masse und können dort abgetrennt werden.

Im Rahmen des Experiments dauerte es etwa zehn Minuten, bis etwa 70 Prozent des Eisenoxids im Rotschlamm zu metallischem Eisen reduziert war. „ Im Vergleich zu anderen Methoden der Eisenextraktion resultiert unser Prozess zudem in hochreinem Eisen mit im Schnitt 95 Prozent Eisengehalt und einem vernachlässigbaren Anteil störender Elemente wie Schwefel, Phosphor und Kohlenstoff. Dadurch ist dieses Eisen direkt für die Stahlproduktion nutzbar„, so die Forscher:innen.

Und nicht nur das. Zusätzlich verringert der Prozess den pH-Wert des zurückbleibenden Rotschlamms, der so von einem alkalischen in einen neutralen Zustand überführt wird. Das Gemisch erstarrt dann beim Abkühlen zu einem glasartigen Material, in dem die enthaltenen Schwermetalle stabil gebunden sind. Das Verfahren ist damit auch dazu geeignet, den giftigen Rotschlamm sozusagen zu „entschärfen“. Die Wissenschaftler:innen gehen zudem davon aus, dass auch andere Metalle ins Eisen oder in einen separaten Bereich übergehen und theoretisch extrahiert werden könnten.

Rentables Verfahren reduziert CO2-Emissionen

Laut den Forscher:innen ist das Verfahren zudem wirtschaftlich rentabel, wenn zumindest teilweise erneuerbare Energien für die Produktion des für der Behandlung des Rotschlamms benötigten Stroms und Wasserstoffs genutzt werden und der behandelte Rotschlamm mindestens 50 Prozent Eisenoxid enthält. Bezieht man die sonst für die Entsorgung des Rotschlamms fälligen Beträge in die Rechnung mit ein, so ist das Verfahren bereits ab 35 Prozent Eisenoxidgehalt rentabel.

Würde dieses Verfahren auf die global gesammelten Rotschlamm-Mengen angewandt, so würde dies voraussichtlich in genug Eisen für die Produktion von etwa 700-Millionen Tonnen grünen, CO2-freien Stahls ausreichen, was etwa einem Drittel der globalen jährlichen Stahlproduktion entspräche.Dabei könnten etwa 1,5 Milliarden Tonnen CO2-Emissionen eingespart werden.

via Max-Planck-Institut für Eisenforschung GmbH