연구진은 알루미늄 생산 과정에서 생성된 독성 레드머드를 수소를 이용해 녹여 약 10분 만에 친환경 철강을 생산함으로써 철강 및 알루미늄 산업이 환경에 미치는 영향을 줄이는 경제적으로 실현 가능한 방법을 설계했습니다.
알루미늄 산업에서는 매년 약 1억 9,800만 톤(약 1억 8,000만 톤)의 보크사이트 잔류물("붉은 진흙")을 생산합니다. 이는 높은 알칼리도와 풍부한 독성 중금속 함량으로 인해 부식성이 매우 높습니다. 호주, 중국, 브라질과 같은 국가에서는 남은 레드머드가 거대한 매립지에 버려지는 경우가 많아 처리 비용이 많이 듭니다. 철강 산업은 또한 전 세계 총 이산화탄소 배출량의 8%를 차지할 정도로 환경에 심각한 피해를 줍니다. 그러나 철강과 알루미늄 수요는 2050년까지 최대 60% 증가할 것으로 예상된다.
그러나 독일 Max-Planck-Institutfür Eisenforschung의 과학자들은 알루미늄 생산에서 발생하는 독성 레드머드 부산물을 친환경 강철로 전환할 수 있는 방법을 가지고 있을 수 있습니다.
이번 연구의 주저자인 Matic-Jovicevic-Kruger는 "우리 공정은 알루미늄 생산 시 스크랩 문제를 해결하는 동시에 철강 산업의 탄소 배출량을 개선할 수 있습니다."라고 말했습니다. "알루미늄 생산 시 스크랩 문제를 동시에 해결하고 철강 산업의 탄소 배출량을 개선합니다."
레드머드는 최대 60%의 산화철을 함유하고 있습니다. 10% 수소를 함유한 플라즈마를 사용하여 전기로에서 레드머드를 녹이면 이를 액체 철과 액체 산화물로 환원시켜 철을 쉽게 추출할 수 있습니다. 연구진은 플라즈마 환원 기술은 단 10분밖에 걸리지 않으며, 생산된 철은 매우 순수해 직접 강철로 가공할 수 있다고 말합니다. 더 이상 부식성이 없는 금속 산화물은 냉각되면 고체화되므로 건설 산업에서 충진재로 사용할 수 있는 유리 같은 물질로 변형될 수 있습니다.
다른 연구자들은 레드머드에서 철을 생산하기 위해 비슷한 방법을 사용했지만 코크스를 사용했습니다. 그러나 이 방법을 사용하면 철이 심하게 오염되고 다량의 이산화탄소가 생성됩니다. 새로운 연구에서 사용된 방법은 녹색수소를 환원제로 사용하여 이러한 온실가스 배출을 방지합니다.
이번 연구의 교신 저자인 Isnaldi Souza Filho는 "현재까지 전 세계 알루미늄 생산에서 생산된 40억 톤의 레드머드에서 철을 추출하는 데 녹색 수소를 사용한다면 철강 산업은 거의 15억 톤에 달하는 이산화탄소를 절약할 수 있다"고 말했습니다.
이 과정을 통해 레드머드에 원래 존재하는 독성 중금속이 "거의 중화"됩니다. 남은 중금속은 금속 산화물에 단단히 결합되어 매립지에 남겨진 붉은 진흙처럼 물에 씻겨 나가지 않습니다.
"환원 후 우리는 철에서 크롬을 발견했습니다. 다른 중금속 및 귀금속도 철 또는 별도의 구역으로 전달될 가능성이 있습니다. 추가 연구에서 이를 조사할 것입니다. 귀중한 금속을 분리하여 재사용할 수 있습니다"라고 Jovičević-Klug는 말합니다.
연구자들은 레드머드에서 철을 생산하기 위해 녹색 수소를 직접 사용하는 것이 환경에 "이중 유익"할 뿐만 아니라 매우 경제적이라고 말합니다. 그들의 계산에 따르면, 레드머드에 산화철이 35% 포함되어 있으면 공정을 경제적으로 만들기에 충분할 것입니다. 현재 가격의 그린 수소 및 전기로 전기 비용에 레드머드 매립 비용을 더해 계산하면, 레드머드 내 산화철 비율이 30~40%에 도달해야 생산된 철이 시장에서 경쟁력을 가질 수 있습니다.
이는 레드머드 처리 비용이 상당히 낮은 것으로 계산되기 때문에 보수적인 추정치입니다. 또한, 전기로는 알루미늄 제련소를 포함한 금속 산업에서 널리 사용되고 있으며, 제한된 투자로 더 큰 지속 가능성을 달성할 수 있습니다.
이번 연구의 공동 저자인 Dierk Raabe는 "우리 연구에서는 경제적 요인을 고려하는 것도 중요했습니다. 이제 레드머드에서 철분을 줄이기 위해 플라즈마를 사용할지 여부를 결정하는 것은 업계에 달려 있습니다."라고 말했습니다.
이번 연구는 네이처 저널에 게재됐다.