Il professore associato di metallurgia del MIT Antoine Allanore ha ricevuto una sovvenzione di 1,9 milioni di dollari dall'Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti per eseguire test su larga scala di un nuovo modo di produrre rame utilizzando l'elettricità per separare il rame dallo zolfo fuso. a base di minerali, quali sono le principali fonti di rame.

Uno degli obiettivi primari di Allanore è produrre rame di elevata purezza che possa andare direttamente nella produzione di filo di rame, che è sempre più richiesta per applicazioni dalle energie rinnovabili ai veicoli elettrici. Si prevede che la produzione di auto e autobus elettrici e ibridi aumenterà da 3,1 milioni di veicoli nel 2017 a 27,2 milioni entro il 2027, con un conseguente aumento di nove volte della domanda di rame da 204, 000 tonnellate a 1,9 milioni di tonnellate (2,09 milioni di tonnellate USA) nello stesso periodo, secondo un rapporto IDTechEx di marzo 2017 commissionato dall'International Copper Association (ICA).

A giugno 2017, i ricercatori del laboratorio di Allanore hanno identificato come separare selettivamente rame puro e altri elementi metallici dal minerale di solfuro in un solo passaggio. Il loro processo di elettrolisi del solfuro fuso elimina l'anidride solforosa, un sottoprodotto nocivo dei metodi tradizionali di estrazione del rame, producendo invece zolfo elementare puro.

"Pensiamo che con la nostra tecnologia potremmo fornire a questi fili di rame un minor consumo di energia e una maggiore produttività, " Dice Allanore. Potrebbe essere possibile ridurre del 20 per cento l'energia necessaria per produrre il rame.

In ricerche precedenti, postdoc Sulata K. Sahu e studente laureato Brian J. Chmielowiec '12, ha decomposto minerali ricchi di zolfo ad alta temperatura in zolfo puro ed estratto tre diversi metalli ad altissima purezza:rame, molibdeno, e renio. Il processo è simile al processo di Hall-Héroult, che utilizza l'elettrolisi per produrre alluminio, ma opera a una temperatura di esercizio più elevata per consentire la produzione di rame liquido.

Attualmente, ci vogliono più passaggi per separare il rame, prima frantumazione di minerali di solfuro, e poi facendo galleggiare le parti portanti in rame. Questo materiale ricco di rame, concentrato di rame, viene successivamente parzialmente raffinato in una fonderia, e ulteriormente purificato con raffinazione elettrolitica. "L'approccio del professor Allanore funzionerebbe sul concentrato di rame e ha il potenziale per produrre barre di rame in un'unica operazione, separando le impurità indesiderate e recuperando preziosi sottoprodotti che sono anche nel concentrato, "dice Hal Stillman, direttore dello sviluppo e del trasferimento tecnologico per l'International Copper Association. "L'approccio del professor Allanore è un grande passo, consente un approccio completamente nuovo alla raffinazione del rame".

Il triennio, Il premio DOE da 1,89 milioni di dollari consentirà al gruppo di Allanore di realizzare un reattore più grande, producendo circa 10 volte più rame liquido all'ora, e per far funzionare il reattore per un tempo più lungo, abbastanza per identificare cosa succede agli altri metalli che accompagnano il rame, che sono anche commercialmente importanti.

Il lavoro di gruppo di Allanore è iniziato quest'anno, e spera che fornisca i dati necessari per passare a un impianto pilota entro tre anni. "Il nostro obiettivo è essere pronti a fornire i criteri di progettazione, il materiale e le condizioni operative di un reattore dimostrativo da una tonnellata al giorno, " dice Allanore. "Se tutto va a buon fine, questo è ciò che consegneremo".

Le principali sfide tecniche da superare sono la prova della durata del processo per un periodo di tempo più lungo e la verifica della purezza dei metalli che vengono prodotti nel processo. Alcuni dei sottoprodotti della produzione del rame, selenio, Per esempio, sono preziosi di per sé.

"La rivoluzione che proponiamo è che un solo reattore farebbe tutto. Renderebbe il rame liquido prodotto e ci permetterebbe di recuperare zolfo elementare, e ci permette di recuperare il selenio, " Dice Allanore. "Stiamo usando l'elettricità, e gli elettroni possono essere molto selettivi, quindi stiamo usando gli elettroni in un modo che consente la separazione più efficiente dei prodotti del processo chimico".

La pirometallurgia convenzionale produce rame bruciando il minerale in aria, richiede quattro passaggi e produce composti nocivi come l'anidride solforosa (SO2) che richiedono una trasformazione secondaria in acido solforico. Anche il lotto iniziale di rame richiede un'ulteriore elaborazione. "Lascia dietro rame metallo con troppo zolfo e troppo ossigeno, troppo per la produzione di filo diretto a valle, "dice Allanore.

Il nuovo metodo di elettrolisi del solfuro fuso del laboratorio Allanore gestisce meglio i metalli in tracce e le impurità di altri elementi che vengono con il rame, consentendo la separazione di più elementi ad elevata purezza dallo stesso processo produttivo. "Perciò, possiamo ripensare il processo produttivo dei fili di rame, "dice Allanore.

"La parte essenziale consiste nel fornire al settore - società minerarie, società di fusione esistenti e produttori di rame esistenti:alcuni dati che mostrano cosa succede su operazioni più lunghe e su scala più ampia, "dice Allanore.

L'International Copper Association ha condotto una valutazione del ciclo di vita che ha identificato diverse aree in cui l'industria del rame può migliorare il proprio impatto ambientale. Lo studio indica che l'industria deve continuare a ridurre le emissioni di anidride solforosa in loco e ottenere l'elettricità da fonti più rispettose dell'ambiente. Il progetto di Allanore è rilevante per entrambi questi temi. "Se sviluppato e distribuito, ha il potenziale per diminuire la domanda di energia, operare interamente con energie rinnovabili, e ridurre le emissioni di anidride solforosa, ", afferma Stillman, direttore della tecnologia dell'ICA. "Inoltre, può separare le impurità indesiderate e recuperare preziosi sottoprodotti dal concentrato. Proprio adesso, l'evidenza tecnica che sta creando entusiasmo è una dimostrazione di principio su piccola scala. È fantastico che EERE abbia fornito i finanziamenti iniziali necessari per esplorare il potenziale. Se il processo funziona su scala più ampia, potrebbe essere il tipo di approccio rivoluzionario che l'industria sta cercando".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.