冶金行业的废渣通常含有有价值的材料，但浓度非常低。这意味着大面积的宝贵土地被用来容纳有时充满有毒废物的水库。我们现在想用氢气将这种废物转化为资源。

研究旨在开发从赤泥中创新地回收有价值的原材料

世界迫切需要金属。实现所谓的绿色转型完全取决于获得稀缺金属和我们拥有充足供应的金属。然而，从我们开采的矿物中回收金属会产生副产品，而这些副产品往往最终成为废物。这种废物还可能对自然和环境产生重大的地方和全球影响。

我们在SINTEF进行的一些研究涉及找出如何利用这些废物来为我们提供更多金属。我们现在的目标是从这些废品中回收铁、钴、钪和许多其他重要金属。

化问题为机遇

与冶金废物处理相关的问题是显而易见的。但他们也可能为我们提供机会。随着对金属和其他关键原材料的需求增加，新的商业计划也将出现。

SINTEF目前正在领导一个名为HARARE的重大项目。这涉及与其他九个欧洲组织的合作，这些组织的目标是使用氢分别从铜渣和铝土矿残渣(所谓的赤泥)中回收铜和铝。

HARARE代表“从冶金废料中回收金属和矿物的氢作为还原剂”。

目前有三大趋势推动金属需求在未来不可避免地增长。这些是向使用可再生能源的过渡、电动汽车的使用增加以及所谓的智能城市的发展。铜和铝是两种在未来几年将继续发挥重要作用的金属。

铝重量相对较轻且耐腐蚀，使其成为重要的建筑材料等。铜是一种非常有效的热和电导体，并且易于回收。自1900年以来生产的所有铜中，有65%今天仍在使用。这些特性意味着对铝和铜的需求将继续增加。

我们面临的挑战是，标准的铝冶炼工艺产生的赤泥废物大约是铝金属的两倍。赤泥是非常基本的，通常倾倒在占用大面积土地的水库中。除了造成严重的土地使用问题外，赤泥还代表着潜在的污染源和水库附近地区的安全风险。

同样，我们每生产一公斤铜，就会留下2.2吨矿渣。在欧盟，每年产生多达4兆吨的铜渣。在全球范围内，铝工业每年产生160吨矿渣废物——相当于每个居民约20公斤。如果现在预计这些金属的产量会增加，那么浪费问题只会变得更糟。

需求增长六倍

理论上，含有矿物和金属残渣的冶金炉渣可能代表一种资源。然而，挑战之一是这些残留物仅含有低浓度的相关金属和矿物质。例如，可以从金属含量超过1%的铜渣中回收铜。铜含量低于1%的炉渣通常被视为废料并被丢弃。

我们面临的挑战是，标准的铝冶炼工艺产生的赤泥废物大约是铝金属的两倍。

其他稀有和有价值的金属和矿物的浓度甚至更低。矿物混合物的浓度、性质以及它们在矿渣材料中的发生方式将决定回收纯金属的难度。然而，确定可以工业化的此类过程的方法变得越来越重要。

左：在传统的线性经济中，只有极少量的冶金废料用于其他应用。大部分废物保持原样并倾倒在大型垃圾填埋场。右图：在更循环的系统中，废物中的所有价值都得到了利用。倾倒被最小化并且在理想情况下被完全消除。HARARE项目的目的是利用氢从我们的铝和铜工业的废物流中回收稀有矿物和金属。图片来源：SINTEF

国际能源署(IEA)估计，如果我们要到2050年实现零排放目标，到2040年对关键材料的需求将增加六倍。欧盟的明确目标是实现关键原材料的自给自足，但目前，我们距离实现这一目标还有很长的路要走。

虽然从冶炼炉渣中回收金属可能有利可图，但也有必要减少冶金过程产生的CO2排放。金属生产普遍需要能源，因此应该可以通过选择更好的能源和优化冶炼过程来减少我们所说的“间接排放”。最重要的是，金属生产几乎总是会因为生产过程而产生CO2排放。这些被称为“直接排放”，只能通过捕获产生的CO2或首先不产生任何CO2来减少。

所有这些CO2来自哪里?

为了弄清楚是否有可能完全消除直接排放的CO2，​​我们首先必须了解气体是如何产生的。大多数金属矿石以氧化物形式存在，其中每个金属原子都与一个或多个氧原子结合。在这种关系中，原子之间的键非常牢固，我们必须使用大量能量才能打破键并释放金属。我们还必须诱使氧原子找到与它们认为如此有吸引力的金属原子的替代品的亲和力。

氧原子不仅喜欢金属原子。他们还发现碳原子非常有吸引力。正是出于这个原因，在冶炼过程中，我们将煤炭或木屑中出现的碳原子与大型烤箱中的金属氧化物混合。我们输入大量能量(通常以电能的形式)，并生产出我们正在寻找的金属以及CO2。我们说碳还原了金属，因此碳是一种“还原剂”。

用水代替CO2怎么样?

我们都知道氧原子很容易与氢混合。毕竟，需要一个氧原子和两个氢原子才能形成一个水分子。是否有可能生产纯金属并释放水而不是CO2?这听起来好得令人难以置信，而且对于某些金属来说，这种方法根本行不通。

氢气并不总是一种足够有效的还原剂，尽管理论计算和实验室实验表明，几种金属氧化物应该有可能使用水中的氢气实现完全或部分还原。

废物、土地使用和温室气体

作为HARARE项目的一部分，我们的目标是同时解决多个问题。世界需要更多的金属。但这只会产生更多的废物和增加土地使用，无论是采矿还是垃圾填埋场的挖掘。更不用说所有的CO2排放量。我们希望看到从两大铜渣和赤泥废液中回收残余铝和铜以及铁、钴、钪和许多其他重要矿物的具体方法。

氢的使用将使我们能够使冶金行业既循环又无碳。