鋁是增長最快的大規模生產材料，是車輛、食品容器和儲藏室以及土木工程結構輕量化設計的先決條件。鋁的合成是通過拜耳法將一種稱為鋁土礦的混合礦石提煉成氧化鋁，副產品是俗稱“赤泥”。赤泥亦稱紅泥，是從鋁土礦中提煉氧化鋁后排出的工業固體廢物。赤泥中含氧化鐵量大，外觀與赤色泥土相似，因而得名。隨著鋁工業的發展和鋁土礦石品位的降低，赤泥量將越來越大，在全球范圍內的累積量達到驚人的40億噸，大量的赤泥不能充分有效的利用，目前只能依靠大面積的堆場堆放，占用了大量土地，且赤泥為堿性物質，隨著雨水的沖淋，赤泥中的堿會被溶出，可能污染地表水和地下水，因此赤泥的綜合利用正成為日益重要的研究課題，倍受科技工作者的關注。

基于以上難題，德國馬克斯普朗克鋼鐵研究所Isnaldi R. Souza（通訊作者）等人將赤泥直接暴露于稀薄氫熱等離子體（Ar-10%H₂）在電弧爐（EAF）中點燃，無需對輸入材料進行任何事先處理即可生產液態鐵。該過程通過快速液態還原、化學分配以及密度驅動和粘度驅動的金屬和氧化物之間的分離進行。作者展示了在這種簡單快速還原方法中潛在的化學反應、pH中和過程和相變。該研究通過使用赤泥作為原料，減少煉鋼產生的溫室氣體排放，建立了一種可持續的鋁生產有毒廢物處理方法，還為其他金屬的提取提供了參考。相關研究成果以“Green steel from red mud through climate-neutral hydrogen plasma reduction”為題發表知名期刊Nature上。

1、通過氫等離子體還原將赤泥轉化為有價值的可持續煉鐵原料，從而減少部分鋼鐵相關的CO₂排放。

2、所提出的基于氫等離子體的赤泥還原工藝可用于其他金屬（如各種稀土金屬）的提取。

圖1. 紅泥的產生、儲存、危害及氫等離子體處理 © 2024 Springer Nature

圖2. 氫等離子體處理赤泥的相演化及鐵回收機理 © 2024 Springer Nature

圖3. 氫等離子體處理1 min后赤泥的微觀結構 © 2024 Springer Nature

圖4. 氫等離子體處理10 min后赤泥的微觀結構 © 2024 Springer Nature

圖5. 非還原性和還原性等離子體氣體對赤泥處理的影響對比 © 2024 Springer Nature

綜上，本研究結果提供了直接證據，證明赤泥的赤鐵礦部分快速動力學和優先還原為純鐵。該工藝效率高，還原10分鐘后達到70%的金屬化率。此外，還原時間10分鐘后，Fe蒸發損失僅為約7%。與其他類似的赤泥鐵提取方案相比，本工藝生產出高純度的鐵產品，平均鐵含量為95 wt%，有害元素（如S、P和C）的存在可以忽略不計，因此可以直接用于煉鋼。潛在的化學機制被認為是由氧化物從鈦磁鐵礦到鐵尖晶石，然后直接還原為純鐵的級聯效應引起的。除了純鐵萃取外，所提出的基于氫等離子體的赤泥還原工藝似乎也是一種提取其他金屬（如鈦）的可行方法，這表明該工藝可以擴展并進一步增值，包括提取各種稀土金屬。

原文詳情：Jovi?evi?-Klug, M., Souza Filho, I.R., Springer, H. et al. Green steel from red mud through climate-neutral hydrogen plasma reduction. Nature 625, 703-709 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06901-z