ARPA-E探索零排放金属加工技术

编译 蔡立英

谈到让钢铁工业更环保，美国能源部高级研究计划局（ARPA-E）的克里斯蒂娜•张（Christina Chang）认为，“只有物理定律限制了我们的想象力”。作为 ARPA-E 研究员的克里斯蒂娜•张正在寻求公众对“排放更少的炼钢技术”（SMELT）的意见。在两年聘期内，她将指导项目创建、机构战略制定和拓展。据国际能源署（IEA）称，炼钢目前约占世界二氧化碳排放量的7%，而且随着低收入国家的经济增长，钢铁需求到2050年预计将翻一番。

ARPA-E 成立于2009年，是美国能源部内设的富有想象力的小型办公室。SMELT是ARPA-E 三管齐下推动钢铁和有色金属生产从采矿到成品全过程绿色化的举措之一。另一个项目是寻求利用全球采矿作业中积累的大量废弃物的途径，并减少未来产生的废物量。此外，ARPA-E还在探索种植能从土壤中吸收钴、镍和稀土等元素的植物的可行性，尽管这些元素是电动汽车、电池和风力涡轮机的重要成分，但美国国内几乎没有生产。

炼钢

炼钢的第一步是将铁矿石分离成氧气和金属铁，这个过程会通过还原反应和产生高热的化石燃料燃烧而产生二氧化碳。2021年6月14日，ARPA-E结束了关于该流程清洁工艺的征求意见。该机构正在寻求用更环保的技术（每年可生产2吉吨钢铁）取代已有数百年历史的高炉炼钢技术，后续可能会申请对该研究计划的资助。

推荐的许多清洁技术包括电沉积、氢还原剂代替碳还原剂、可再生生物质替代高炉中的焦炭（提纯煤）。在2021年5月的 ARPA-E 年度峰会上，克里斯蒂娜•张重点介绍了电沉积，也称为电解沉积，其中电子流取代一氧化碳作为还原剂。为了实现零排放，电力将来自可再生能源。

澳大利亚金属采矿废料（上图）和金属超富集植物庭荠Alyssum murale）和菊科植物Berkheya coddii（下图）。庭荠可以吸收占其重量1%～3%的镍，已证明它每年每公顷的镍富集产量高达400千克，按当前价格计算，价值约7 000美元（不包括加工和生产成本）

从麻省理工学院（MIT）衍生出来的波士顿金属公司正在开发一种高温铁电解沉积工艺，公司得到比尔•盖茨创立的突破性能源风险基金（BEV）的支持。以全球最大钢铁制造商安赛乐米塔尔为首的 SIDERWIN 联盟由12名成员组成，自2017 年以来一直致力于扩大低温电解沉积工艺的规模。这项工作受到了欧盟“地平线 2020”研发计划的资助。

110 ℃左右的低温电解沉积工艺发生在水碱性电解液中，类似于水电解。波士顿金属公司的工艺在1 600 ℃的熔融氧化物电解质中进行，更类似于960 ℃左右的铝冶炼。在SIDERWIN 电池的阴极上形成的铁会作为 1 厘米厚的板定期去除；波士顿金属公司的工艺从电解槽底部取出成批的铁水。这两种技术都尚未在批量钢铁生产中实现商业化。

克里斯蒂娜•张表示，目前电解沉积成本太高，无法达到与传统炼钢相竞争的产量。增加产量的一种可能方法是使用悬浮电极（悬浮在电解质中的颗粒）来代替二维电极，这将大大增加可用于铁沉积的表面积。

MIT冶金学家安托万•阿拉诺尔（Antoine Allanore）参与了 SIDERWIN 合作，后来共同开发了一种用于波士顿金属公司工艺的铬铁阳极。他说，可以通过建造更多更大的电解槽来扩大电解沉积工艺的规模，并且整体占地面积可能不会超过传统综合钢铁厂及其高炉和炼焦炉的占地面积。阿拉诺尔指出，其他替代性炼铁工艺存在缺点，例如，氢难以储存和运输，而且需求量很大；而生物质将与农业、林业和生物能源竞争有限数量的耕地。

减少炼钢能耗的其他潜在方法包括感应加热和将铁水直接转移到熔炉中，在那里将合金变成钢。今天，高炉中的铁在进入碱性氧气炉（BOF）前就被固化，提高熔炉效率也将减少能耗。

克里斯蒂娜•张表示，炼钢工艺的下游部分，例如将板坯热轧成钢板和将钢板加工成产品的能效改进技术已经成熟。

最终，炼钢可能会从目前的多容器加热和再加热过程转变为类似于3D打印的过程。克里斯蒂娜•张畅言：“完全有可能诞生一种黑匣子技术，只需在顶部倒入矿石，然后出来一个钢罐，而且排出的是氧气而不是二氧化碳。”

植物采矿

ARPA-E 研究员、生物地球化学家伊丽莎白•特罗埃（Elizabeth Troein）正在将所谓的超富集植物作为能源-关键金属的来源，以减少对碳密集型硬岩开采的需求。超过500种此类超富集植物积累的镍浓度超过1 000微克/克的干重，远高于对大多数植物有毒的50～100微克/克。这些植物也在一定程度上积累了钴，在某些情况下还积累了稀土金属。

大多数超富集植物生长在具有蛇纹石土壤的2%～3%的地球陆地表面，这些土壤养分贫乏且重金属浓度高。美国农业部退休的科学家鲁弗斯•钱尼（Rufus Chaney）表示，这些土壤中约有60%是可耕地，他的研究重点是他所谓的植物采矿（phytomining）——培育超级富含矿物质的作物。大面积的蛇纹石土壤分布在亚太地区和中东地区；在美国，则主要集中在加利福尼亚州北部和俄勒冈州。

因其稀缺性、价格以及在锂离子电池中的使用需求迅速增长，钴越来越受到关注。世界上大部分钴矿都在刚果民主共和国开采，而那里的社会和政治非常不稳定。特罗埃说，在罗德岛（面积2 700 平方公里）那样大小的田地中种植超富集植物可以满足美国每年10 000吨的钴需求，直到这片土地在大约10年以后被耗尽。她说，美国至少有16 000平方公里的地表岩石（超镁铁质）经过风化后形成蛇纹石土壤。

特罗埃说，在这些相当于马里兰州和特拉华州（30 000平方公里）面积的土壤中种植超富集植物，可以生产足以满足全球10年需求的钴。她补充说，在美国更广泛发现的第二种富含金属的土壤中，或许也可以种植钴超富集植物。

在澳大利亚昆士兰大学研究微量元素生物通路的安东尼•范德恩特（Antony van der Ent）提出了一些不同的看法。他认为，迄今为止，很少有研发投入到钴超富集植物采矿；如果有潜在可能，重点应放在中非，因为那里有大片富含钴的土壤和矿山废料。钴超富集植物原产于该地区，它们也能适应半干旱和地中海气候。

范德恩特指出，任何镍超富集植物都会吸收一些钴，但只有在土壤中的镍含量非常低时才会有可观的钴吸收量。金属超富集植物对这两种金属的吸收将形成竞争关系，在典型的蛇纹石土壤中，镍含量是钴含量的10倍，植物将积累很少的钴。钱尼说，生物工程可以将其中一种金属超富集植物转化为忽略镍吸收的钴超富集植物。

2米高的镍超富集植物Phyllanthus rufuschaneyi以钱尼的名字命名。钱尼表示，在使用适当的肥料和土壤pH值将某种特定植物种植为作物之前，是无法确定其采矿潜力的。好几种超富集植物都不是高大的植物，因此很难收割且价值低。可以燃烧超富集植物，然后从灰烬中分离出金属；或者，可以把它们压制成液体，然后从中提取金属。他说，由于超富集植物从土壤或矿石基质中提取感兴趣的金属，因此从超富集植物中提纯金属比传统精炼技术便宜得多。

2019年，巴西布鲁马迪尼奥附近的矿山尾矿坝坍塌，导致270人死亡。世界上的采矿废物总量可能会填满北美五大湖之一的伊利湖

钱尼说，阿尔巴尼亚和印度尼西亚正在进行镍超富集植物采矿，但尚未在美国实现商业化。美国Viridian公司与美国农业部的合作研发协议于2002年到期后，Viridian公司在俄勒冈州的一个场地试种了两种镍超富集植物。2005年，人们在附近的耕地上发现了一些这样的植物后，俄勒冈州宣布这些植物为有害杂草。钱尼说，如果研究人员在种子成熟之前就把这些植物收割掉，他们本可以避免这个问题，并补充说，这一事件有效地结束了在美国利用超富集植物的实景实验。

矿山尾矿

ARPA-E 项目主管道格拉斯•威克斯（Douglas Wicks）指出：“即使在向无碳能源转型之前，采矿规模之大也令人难以理解。”世界上每年采矿产生的废物即尾矿量为 50 吉吨。有时，这些堆积如山的尾矿会导致灾难，比如，2019 年发生在巴西布鲁马迪尼奥附近的一座铁矿的尾矿坝坍塌事故，造成270 人死亡。

人类向绿色能源过渡所需的矿物质，其每吨的开采所产生的废物量是巨大的，例如，每吨钴的开采会产生1 000吨尾矿。“预计，随着人类对矿物的需求不断飞涨，我们现在正在为下一代留下一万亿吨废物。”威克斯说。

威克斯表示，许多矿山只对单一金属进行“激光聚焦”式开采，而对其他可以开采的金属置之不理，因为这样可以减少挖掘量。开采镍时，钴、锰、铝和铁通常会留在尾矿中。他指出，可以开发含量较低矿物质的开采工艺，或许可以通过电化学方法利用金属的不同电位从溶液中分离出每种矿物质。一旦所有矿物的价值都被利用殆尽，剩余的废物就可以用作建筑材料——炼钢渣就是这样发挥余热的。

这些废物也可以作为二氧化碳的沉降剂。威克斯说，如果将二氧化碳反应整合到镍矿开采中，该反应可能会从碳排放的过程转变为碳吸收的过程。他说，橄榄石中发现了镍矿床，在适当的条件下，它会吸收高达其重量63%的二氧化碳。在镍含量为0.25%的矿石中，每回收1吨镍就会留下400吨岩石。与目前生产1吨镍产生14～20吨二氧化碳相比，这种岩石有可能以化学方式封存生产1吨镍释放的250吨二氧化碳。

ARPA-E希望工业界、学术界、发明家和企业家提出更节省土地、水和电力的新采矿工艺。“清洁采矿是可持续能源转型的关键。”威克斯说。

康奈尔大学可持续能源和资源回收研究组的负责人格里沙姆•加迪科塔（Greeshma Gadikota）表示，她的研究旨在将岩石风化等化学反应发生的时间从数百年乃至数千年缩短到几小时，其中一些反应将二氧化碳锁定在稳定的碳酸盐中。

加迪科塔说：“我们已经开始更多地了解我们该如何设计和控制化学反应，以及我们该如何开始在工业生产过程中实施这些化学反应。我们正在研究热力学可行性和动力学局限性。我们能否了解使反应变慢或变快的因素以及这样做的成本？我们如何利用越来越低的可再生电力成本来调控这些反应？”

资料来源 Physics Today