Auch die Metalle, die das Fundament der modernen Gesellschaft bilden, verursachen eine Reihe von Problemen. Die Trennung der gewünschten Metalle von anderen Mineralien ist oft energieintensiv und kann große Mengen giftigen Abfalls hinterlassen. Um sie in reine Form zu bringen, ist oft ein zweiter und erheblicher Energieeinsatz erforderlich, was die damit verbundenen Kohlenstoffemissionen erhöht.
Ein Forscherteam aus Deutschland hat nun herausgefunden, wie einige dieser Probleme für eine bestimmte Klasse von Bergbauabfällen, die bei der Aluminiumproduktion anfallen, gelöst werden können. Ihre Methode basiert auf Wasserstoff und Strom, die beide aus erneuerbarer Energie gewonnen werden können, und extrahiert Eisen und möglicherweise andere Metalle aus dem Abfall. Was zurückbleibt, ist möglicherweise immer noch giftig, aber nicht so schädlich für die Umwelt.
Raus aus dem Schlamm
Der erste Schritt bei der Aluminiumproduktion ist die Isolierung des Aluminiumoxids von den anderen Materialien im Erz. Zurück bleibt ein Material namens Rotschlamm; Schätzungen zufolge werden jährlich fast 200 Millionen Tonnen produziert. Während die rote Farbe von den vorhandenen Eisenoxiden herrührt, sind darin viele andere Stoffe enthalten, von denen einige giftig sein können. Und der Prozess der Isolierung des Aluminiumoxids hinterlässt im Material einen sehr basischen pH-Wert.
All diese Merkmale führen dazu, dass der Rotschlamm im Allgemeinen nicht in die Umwelt zurückgeführt werden kann (oder sollte). Im Allgemeinen wird es in Rückhaltebecken aufbewahrt – weltweit beherbergen diese schätzungsweise 4 Milliarden Tonnen Rotschlamm, und viele Rückhaltebecken sind im Laufe der Jahre geplatzt.
Die Eisenoxide können an manchen Orten mehr als die Hälfte des Gewichts von Rotschlamm ausmachen, was ihn möglicherweise zu einer guten Eisenquelle macht. Traditionelle Methoden verarbeiten Eisenerze, indem sie sie mit Kohlenstoff reagieren lassen, was zur Freisetzung von Kohlendioxid führt. Es wurden jedoch Anstrengungen unternommen, die Produktion von „grünem Stahl“ zu entwickeln, bei der dieser Schritt durch eine Reaktion mit Wasserstoff ersetzt wird, wobei Wasser als primäres Nebenprodukt zurückbleibt. Da Wasserstoff mithilfe von erneuerbarem Strom aus Wasser hergestellt werden kann, besteht das Potenzial, einen Großteil der mit der Eisenproduktion verbundenen Kohlenstoffemissionen zu vermeiden.
Das Team aus Deutschland beschloss, eine Methode zur Herstellung von grünem Stahl auf Rotschlamm zu testen. Sie erhitzten einen Teil des Materials in einem Elektrolichtbogenofen unter einer Atmosphäre, die hauptsächlich aus Argon (das mit nichts reagierte) und Wasserstoff (10 Prozent der Mischung) bestand.
Eisen abpumpen
Die Reaktion war bemerkenswert schnell. Innerhalb weniger Minuten begannen sich in der Mischung metallische Eisenknötchen zu bilden. Die Eisenproduktion war nach etwa 10 Minuten weitgehend abgeschlossen. Das Eisen war bemerkenswert rein: Etwa 98 Gewichtsprozent des Materials in den Knötchen bestand aus Eisen.
Ausgehend von einer 15-Gramm-Probe Rotschlamms reduzierte der Prozess diese auf 8,8 Gramm, da ein großer Teil des Sauerstoffs im Material in Form von Wasser freigesetzt wurde. (Es ist erwähnenswert, dass dieses Wasser zur Wasserstoffproduktion zurückgeführt werden könnte, wodurch der Kreislauf in diesem Aspekt des Prozesses geschlossen würde.) Von diesen 8,8 Gramm lagen etwa 2,6 (30 Prozent) in Form von Eisen vor.
Die Untersuchung ergab, dass sich in der Mischung auch einige kleine Stücke relativ reinen Titans gebildet haben. Es besteht also die Möglichkeit, dass dies zur Herstellung zusätzlicher Metalle verwendet werden kann, obwohl der Prozess wahrscheinlich optimiert werden müsste, um die Ausbeute an etwas anderem als Eisen zu steigern.
Die gute Nachricht ist, dass es danach viel weniger roten Schlamm gibt, über den man sich Sorgen machen muss. Abhängig von der Quelle des ursprünglichen aluminiumhaltigen Erzes können einige davon relativ hohe Konzentrationen an wertvollen Materialien enthalten, beispielsweise Mineralien der seltenen Erden. Der Nachteil besteht darin, dass alle giftigen Stoffe im ursprünglichen Erz deutlich stärker konzentriert sind.
Als kleines Plus neutralisiert das Verfahren auch den pH-Wert der verbleibenden Rückstände. Das ist also mindestens eine Sache weniger, worüber man sich Sorgen machen muss.
Der Nachteil ist, dass der Prozess unglaublich energieintensiv ist, sowohl bei der Herstellung des benötigten Wasserstoffs als auch beim Betrieb des Lichtbogenofens. Die Kosten dieser Energie machen die Sache wirtschaftlich schwierig. Dies wird teilweise durch die geringeren Verarbeitungskosten ausgeglichen – das Erz wurde bereits gewonnen und weist eine relativ hohe Reinheit auf.
Das Hauptmerkmal dabei ist jedoch der extrem niedrige CO2-Ausstoß. Derzeit gibt es in den meisten Ländern keinen Preis dafür, was die Wirtschaftlichkeit dieses Prozesses erheblich erschwert.
Nature, 2024. DOI: 10.1038/s41586-023-06901-z (Über DOIs).