Vi kan utvinne verdifulle råvarer fra “red mud” på en helt ny måte

Slagg fra metallindustrien inneholder ofte verdifulle stoffer, men i svært små mengder. Derfor blir store verdifulle landarealer brukt som deponier for det tidvis giftige avfallet. Nå vil vi gjøre dette avfallet om til ressurs ved hjelp av hydrogen.

Blogg - Publisert 11.11.2022

Birgit Ryningen

Verden skriker etter metaller. Blant annet er det grønne skiftet er helt avhengig av metaller, både sjeldne og dem vi har mye av. Men fremstilling av metall fra mineraler vi graver opp fra bakken produserer biprodukter som altfor ofte ender opp som avfall. Det kan med andre ord få store lokale og globale konsekvenser for natur og miljø.

Noe av det vi jobber med på SINTEF, er å finne ut hvordan dette avfallet i stedet kan brukes til å gi oss mer metall. Nå skal vi utvinne jern, kobolt, scandium og flere andre kritiske mineraler fra disse avfallsproduktene.

Fra problem til mulighet

Problemene med denne type avfallshåndtering er opplagt, men det kan også ligge en mulighet her: I takt med at behovet for metaller og andre kritiske råstoff øker, vil det økonomiske initiativet også øke.

SINTEF leder et stort EU-prosjekt hvor vi, sammen med 9 andre partnere i Europa, skal bruke hydrogen for å produsere kobber og aluminium fra restene i henholdsvis kobberslagg og red mud (bauxite recidue) ved bruk av hydrogen; HARARE.

HARARE står for “Hydrogen As the Reducing Agent in the REcovery of metals and minerals from metallurgical waste”.

Vi får omtrent 2,2 tonn med slagg per kilo kobber som produseres.

Tre megatrender øker etterspørselen

Det er tre megatrender som gjør at metalletterspørselen bare vil øke fremover; Skiftet til fornybar energi, elektriske biler og konstruksjon av såkalte smarte byer[1]. Kobber og aluminium er to metaller som bare blir viktigere fremover. Aluminium som veier lite og korroderer lite, er blant annet et viktig konstruksjonsmateriale. Kobber er et metall som har høy elektrisk ledningsevne, varmeledningsevne og er lett å resirkulere. 65 prosent av alt kobber som er produsert siden 1900 er fortsatt i bruk[2]! Disse egenskaper gjør at etterspørselen etter disse metallene bare øker.

Tester med kobberslag hos RWTH Aachen University i Tyskland. Foto: Tom Gertjegerdes

Les også: Behovet for sjeldne mineraler og metaller gir oss et miljødilemma

Utfordringen her ligger i at det produseres om lag dobbelt så mye Red Mud som aluminium ved en standard aluminiumsprosess. Red Mud er meget basisk og deponeres ofte i store damanlegg. I tillegg til å være et opplagt arealproblem, er det også en mulig forurensningskilde og en sikkerhetsrisiko for nærmiljøet.

Tilsvarende får vi omtrent 2,2 tonn med slagg per kilo kobber som produseres. I EU produseres 4 megatonn med kobberslagg i året[3] og aluminiumsindustrien produserer på verdensbasis 160 tonn slaggavfall i året. Det tilsvarer om lag 20 kilo per innbygger[4]. Når produksjonen nå forventes å øke, vil avfallsproblemet også øke.

Figur som viser mulighetene for metallutvinning fra slagg i prosjektet HARARE

Til venstre: I en tradisjonell lineær økonomi blir minimale mengder av avfallet brukt i andre applikasjoner. Det meste avfallet forblir avfall og deponeres i store avfallsdeponier. Til høyre: Alle verdier i avfallet utnyttes og deponering minimeres, og i beste fall, elimineres helt. I prosjektet skal vi bruke hydrogen for å utvinne sjeldne mineraler og metaller fra avfallsstrømmene til aluminiums- og kobberindustrien. Illustrasjon: SINTEF

Behovet for kritiske materialer vil seksdobles

Slagg fra metallproduksjon vil inneholde restmengder av metaller og mineraler og er i teorien en ressurs. Noen av utfordringene er de lave konsentrasjonene av de interessante stoffene. For eksempel kan kobberslagg som inneholder mer enn 1 prosent kobber brukes. Men slagg som inneholder mindre enn 1 prosent kobber blir vanligvis avfall og deponeres.

Utfordringen ligger i at det produseres om lag dobbelt så mye Red mud som aluminium ved en standard aluminiumsprosess.

Andre sjeldne og verdifulle metaller og mineraler finnes i enda mindre konsentrasjoner. Konsentrasjonen, blandingen av stoffer og hvordan disse foreligger vil bestemme hvor vanskelig det er å utvinne de reine stoffene fra slagg. Men det blir viktigere og viktigere å finne metoder for dette som kan industrialiseres.

Det internasjonale energibyrået, IEA, estimerer at behovet for kritiske materialer vil seksdobles innen 2040 dersom vi skal nå målet om nullutslipp innen 2050[5]. EU har som uttalt mål å bli selvforsynt av kritiske råmaterialer, noe vi i dag er meget langt unna å være.

I tillegg til at det kan bli økonomisk lønnsomt å utvinne metaller fra slagg er det også nødvendig å redusere CO₂-utslippet fra metallproduksjon. Metallproduksjon er generelt energikrevende, så hvilke energikilder man bruker og en optimalisert prosess vil kunne redusere det såkalte indirekte utslippet. På toppen av det, vil metallproduksjon nesten alltid slippe ut CO₂ som en konsekvens av selve produksjonsprosessen. Dette kalles direkte utslipp og kan bare reduseres ved å enten fange den CO₂‘en som produseres, eller ikke produsere CO₂ i det hele tatt.

Hvor kommer all CO₂-en fra?

For å finne ut om det går an å kutte det direkte CO₂-utslippet, må vi se på hvordan denne CO₂‘en dannes. De fleste metallene finner vi i berggrunnen som oksider. Det vil si at hvert metallatom har bundet seg til et eller flere oksygenatomer. De har inngått et giftemål og bindingen mellom disse atomene er svært sterke. For å bryte disse båndene, må man bruke mye energi. I tillegg må vi friste oksygenatomene med et attraktivt alternativ til metallatomene de er så glade i.

Oksygenatomene er ikke bare glade i metallatomer, de er også svært glade i karbonatomer. Karbonatomer i form av f.eks. kull eller trefliser blandes med metalloksid og store mengder energi, ofte i form av elektrisitet, i store ovner – og ut kommer metaller og CO₂. Vi sier at karbonet har redusert metallet og karbon kalles derfor for et reduksjonsmiddel.

Vann istedenfor CO₂ – går det an?

Vi vet at oksygenatomer også trives godt sammen med hydrogen. Ett oksygenatom og to hydrogenatomer, danner vann! Kan vi produsere reint metall og slippe ut vann istedenfor CO₂? Det høres for godt ut til å være sant, og for noen metaller fungerer det heller ikke. Hydrogen er ikke alltid et sterkt nok reduksjonsmiddel, men teoretiske beregninger og forsøk i lab tilsier at det skal være mulig for flere metaller – enten fullstendig reduksjon eller en delvis reduksjon.

Søppel, arealbruk og klimagasser

I HARARE-prosjektet ønsker vi altså å ta tak i flere problemer på en gang. Verden trenger flere metaller, dette vil gi mer avfall og økt bruk av areal, både i form av utgravinger av metallårene og avfallsdeponier, samt utslipp av CO₂. Vi ønsker å se på helt konkrete metoder for å utvinne rester av aluminium, og kobber samt jern, kobolt, scandium og flere andre kritiske mineraler fra to store avfallsstrømmer; Kobberslagg og Red Mud. Ved å bruke hydrogen vil vi kunne gjøre metallindustrien både sirkulær og karbonfri.

Prosjektleder for HARARE er min kollega Casper Van der Eijk

Følg oss gjerne i sosiale medier: