Udvikling af nye måder at fremme kobberproduktion på

MIT lektor i metallurgi Antoine Allanore har modtaget en bevilling på 1,9 millioner USD fra det amerikanske energiministeriums kontor for energieffektivitet og vedvarende energi (EERE) til at køre test i større skala af en ny måde at producere kobber ved hjælp af elektricitet til at adskille kobber fra smeltet svovl. baseret mineraler, som er de vigtigste kilder til kobber.

Et af Allanores primære mål er at lave kobber med høj renhed, der kan gå direkte til produktion af kobbertråd, som er i stigende efterspørgsel efter applikationer fra vedvarende energi til elektriske køretøjer. Produktionen af ​​el- og hybridbiler og busser forventes at stige fra 3,1 millioner køretøjer i 2017 til 27,2 millioner i 2027. med en medfølgende ni-dobling i efterspørgslen efter kobber fra 204, 000 tons til 1,9 millioner tons (2,09 millioner amerikanske tons) i samme periode, ifølge en IDTechEx-rapport fra marts 2017 bestilt af International Copper Association (ICA).

I juni 2017 forskere i Allanores laboratorium identificerede hvordan man selektivt adskiller rent kobber og andre metalliske grundstoffer fra sulfidmineralmalm i ét trin. Deres elektrolyseproces med smeltet sulfid eliminerer svovldioxid, et skadeligt biprodukt af traditionelle kobberekstraktionsmetoder, i stedet for at producere rent elementært svovl.

"Vi tror, ​​at vi med vores teknologi kunne give disse kobbertråde mindre energiforbrug og højere produktivitet, " siger Allanore. Det kan være muligt at reducere den energi, der er nødvendig for at lave kobber, med 20 procent.

I tidligere forskning, postdoc Sulata K. Sahu og kandidatstuderende Brian J. Chmielowiec '12, dekomponerede svovlrige mineraler ved høj temperatur til rent svovl og ekstraherede tre forskellige metaller med meget høj renhed:kobber, molybdæn, og rhenium. Processen ligner Hall-Héroult-processen, som bruger elektrolyse til at producere aluminium, men opererer ved en højere driftstemperatur for at muliggøre produktion af flydende kobber.

I øjeblikket, det tager flere trin at adskille kobber, første knusning af sulfidmineraler, og derefter flyde de kobberbærende dele ud. Dette kobberrige materiale - kobberkoncentrat - bliver derefter delvist raffineret i et smelter, og yderligere oprenset med elektrolytisk raffinering. "Professor Allanores tilgang ville arbejde på kobberkoncentratet og har potentialet til at producere kobberstang i en enkelt operation, mens man adskiller uønskede urenheder og genvinder værdifulde biprodukter, der også er i koncentratet, " siger Hal Stillman, direktør for teknologiudvikling og overførsel for International Copper Association. "Professor Allanores tilgang er et stort skridt; det tillader en helt ny tilgang til raffinering af kobber."

Det treårige, DOE-prisen på 1,89 millioner USD vil give Allanores gruppe mulighed for at lave en større reaktor, producerer omkring 10 gange så meget flydende kobber i timen, og at køre reaktoren i længere tid, nok til at identificere, hvad der sker med de andre metaller, der ledsager kobber, som også er kommercielt vigtige.

Allanores gruppeindsats begyndte i år, og han håber, at det vil give de nødvendige data til at gå videre til et pilotanlæg inden for tre år. "Vi sigter efter at være klar til at levere designkriterierne, materialet og driftsbetingelserne for en demonstrationsreaktor på et ton pr. dag " siger Allanore. "Hvis alt lykkes, det er det, vi vil levere."

De vigtigste tekniske udfordringer, der skal overvindes, er at bevise processens holdbarhed over en længere periode og at verificere renheden af ​​de metaller, der fremstilles i processen. Nogle af biprodukterne fra kobberproduktion, selen, for eksempel, er værdifulde i sig selv.

"Den revolution, som vi foreslår, er, at kun én reaktor ville gøre alt. Den ville lave det flydende kobberprodukt og give os mulighed for at genvinde elementært svovl, og giver os mulighed for at genvinde selen, " siger Allanore. "Vi bruger elektricitet, og elektroner kan være meget selektive, så vi bruger elektroner på en måde, der muliggør den mest effektive adskillelse af produkterne fra den kemiske proces."

Konventionel pyrometallurgi producerer kobber ved at brænde malmen i luft, kræver fire trin og producerer skadelige forbindelser som svovldioxid (SO2), der kræver sekundær forarbejdning til svovlsyre. Det indledende parti kobber kræver også yderligere forarbejdning. "Det efterlader kobbermetal med for meget svovl og for meget ilt, for meget til nedstrøms direkte ledningsproduktion, " siger Allanore.

Allanore labs nye elektrolysemetode med smeltet sulfid håndterer bedre spormetaller og andre urenheder, der følger med kobberet, muliggør adskillelse af flere elementer med høj renhed fra den samme produktionsproces. "Derfor, vi kan genoverveje fremstillingsprocessen af ​​kobbertråde, " siger Allanore.

"Den væsentlige del handler om at levere sektoren - mineselskaber, eksisterende smeltevirksomheder og eksisterende kobberproducenter - nogle data, der viser, hvad der sker ved længere drift og i større skala, " siger Allanore.

International Copper Association gennemførte en livscyklusvurdering, der identificerede flere områder, hvor kobberindustrien kan forbedre sit miljømæssige fodaftryk. Undersøgelsen viser, at industrien skal fortsætte med at reducere svovldioxidemissioner på stedet og få sin elektricitet fra kilder, der er mere miljøvenlige. Allanores projekt er relevant for begge disse spørgsmål. "Hvis udviklet og implementeret, det har potentiale til at mindske energibehovet, udelukkende drives af vedvarende energi, og reducere svovldioxidemissioner, " ICA teknologidirektør Stillman siger. "Derudover, det kan adskille uønskede urenheder og genvinde værdifulde biprodukter fra koncentratet. Lige nu, det tekniske bevis, der skaber begejstring, er en demonstration i lille målestok. Det er fantastisk, at EERE har givet den nødvendige indledende finansiering til at udforske potentialet. Hvis processen fungerer i større skala, det kunne være den type revolutionerende tilgang, som industrien søger."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.