“أخضر” وفولاذ اقتصادي؟ الكيمياء الكهربائية لديها الحل

يمثل الفولاذ العمود الفقري للحضارة الحديثة، حيث يتم استخدامه في مختلف القطاعات، من المباني إلى الجسور، ومن السيارات إلى الأجهزة المنزلية. ومع ذلك، فإن إنتاجه يعد مصدرًا رئيسيًا لانبعاثات الكربون على مستوى العالم، ولا سيما بسبب العملية التقليدية لاستخراج الحديد من الخام باستخدام أفران الصهر التي تعمل بالفحم.

وبالنظر إلى النمو المستمر في الطلب العالمي على الصلب، فإن تحديد طرق إنتاج أنظف وأكثر استدامة أمر بالغ الأهمية، ليس فقط لتحقيق الأهداف المناخية، ولكن لمستقبل صناعة الصلب ذاته.

حاليًا، يستكشف الباحثون الكيمياء الكهربائية كنهج مبتكر لتحويل عملية إنتاج الحديد، وهو عنصر Si الرئيسي في الفولاذ. وبدلاً من استخدام أفران عالية الحرارة تعمل بالوقود الأحفوري، تستخدم هذه الطريقة الناشئة الكهرباء لاستخراج الحديد النقي من أكسيد الحديد في درجات حرارة أقل بكثير وبانبعاثات منخفضة بشكل كبير.

الحديد والصدأ (صورة تمثيلية)

ويمثل هذا خطوة واعدة نحو صناعة فولاذ صديقة للبيئة، قادرة على المساهمة في الحد من التلوث دون المساس بالأداء أو الربحية.

إعادة النظر في خام الحديد على المستوى الصناعي

في جامعة أوريغون، يعمل الكيميائي بول كيمبلر وفريقه على تطوير عملية كهروكيميائية تحول أكسيد الحديد والمياه المالحة إلى حديد معدني نقي، مع توليد الكلور، وهو منتج ثانوي ذو قيمة تجارية.

يمكن لهذه الطريقة أن تخفف من الأثر البيئي لإنتاج الحديد التقليدي، وأن تتنافس مستقبليًا من حيث التكاليف مع الأساليب الحالية القائمة على الكربون.

وخلال العام السابق، نجح الفريق في إثبات قدرة الكيمياء الكهربائية على تحويل أكسيد الحديد إلى حديد، على المستوى المختبري.

ومع ذلك، فإن معادن الحديد الموجودة بشكل طبيعي تمثل تعقيدًا أكبر من المواد النقية المستخدمة في الاختبارات الأولية. ولجعل عمليتهم أقرب إلى الواقع الصناعي، كان على الباحثين تحليل أنواع أكاسيد الحديد الطبيعية التي قد تكون أكثر فعالية في هذه التفاعلات ذات درجات الحرارة المنخفضة.

وأوضح كيمبلر: "لدينا مبدأ كيميائي، أو نوع من قواعد التصميم، من شأنه أن يرشدنا في تحديد أكاسيد الحديد منخفضة التكلفة التي يمكننا استخدامها في هذه المفاعلات".

الشكل يفوز على الحجم!

للإجابة على هذا السؤال الحاسم، أجرت باحثة ما بعد الدكتوراه آنا كونوفالوفا وطالب الدراسات العليا أندرو جولدمان دراسة متعمقة حول تأثير شكل وبنية جزيئات أكسيد الحديد على العملية الكهروكيميائية.

لقد قاموا بإنشاء جسيمات مسامية وكثيفة، تتميز بتركيبات متشابهة ولكن مع بنية داخلية مختلفة.

وكانت النتائج التي تم الحصول عليها لا لبس فيها: تلعب المسامية دورا حاسما. تسمح الجسيمات المسامية، بفضل مساحة سطحها الداخلية الأكبر، بإنتاج الحديد بشكل أسرع وأكثر كفاءة. في المقابل، أدت الجسيمات الكثيفة إلى إبطاء العملية والحد من كمية الحديد التي يمكن إنتاجها في عملية واحدة.

وقال جولدمان: "باستخدام جزيئات عالية المسامية، يمكننا إنتاج الحديد بسرعة كبيرة على مساحة صغيرة". "لا يمكن للجسيمات الكثيفة أن تصل إلى نفس السرعة، وبالتالي تحد من كمية الحديد التي يمكننا إنتاجها لكل متر مربع من الأقطاب الكهربائية."

أكاسيد الحديد – رسائل الطاقة ACS 2025

قفزة كبيرة إلى الأمام

الكفاءة ليست مجرد نجاح علمي، بل هي ضرورة عمل. تتطلب المصانع الكهروكيميائية واسعة النطاق استثمارات كبيرة، كما أن السرعة التي يتمكن بها النظام من إنتاج الحديد تؤثر بشكل مباشر على عائده الاقتصادي.

ومن خلال استغلال الجسيمات المسامية، قدر الفريق أن بإمكانهم إنتاج الحديد بتكلفة أقل من 600 دولار للطن المتري، وهو مستوى تنافسي مع الإنتاج التقليدي. ومن الممكن أن يؤدي المزيد من التقدم في تصميم الأقطاب الكهربائية والمواد المسامية إلى تحسين العملية.

ولتسريع عملية الانتقال من التطبيق المختبري إلى التطبيق الصناعي، يتعاون الفريق بشكل فعال مع مهندسين مدنيين من جامعة ولاية أوريغون ومع شركة متخصصة في إنتاج الأقطاب الكهربائية.

وقال جولدمان: "أعتقد أن هذا العمل يوضح أن التكنولوجيا يمكن أن تلبي احتياجات المجتمع الصناعي دون التسبب في أضرار مدمرة للبيئة". "بالطبع، لم نحل جميع المشكلات بعد، لكنني أعتقد أن هذا يمثل مثالاً يعمل كنقطة انطلاق لنهج مختلف للحلول."

المقال "الأخضر" والفولاذ الرخيص؟ الكيمياء الكهربائية لديها الحل يأتي من السيناريوهات الاقتصادية .