电解法助力围剿钢铁业排放
2018-11-13 16:35
一块巨大的深灰色圆盘占据了波士顿金属实验室（Boston Metal）公司的部分空间，该公司是麻省理工学院（MIT）的一个分支机构。
这是该公司采用新型金属加工方法加工的第一批高强度合金。Boston Metal已开发出一种更接近电池的产品，取代了几个世纪以来用于炼钢的熔炉。其实这就是所谓的电解槽，它使用电力而不是碳来加工原铁矿石。
如果这项技术在规模化之后能像其发明者所期望得的那样便宜，那么它将为减少全球经济中最难以清洁的领域之一、也是气候污染的最大工业来源之一——钢铁行业的温室气体减排提供一条清晰的路径。
过去6年里，这家拥有9名员工的公司一直在努力实现这一想法，如今他们正进入下一个阶段：即将发起一轮融资来启动这个大型示范项目。如果可以获得新一轮融资，他们计划建立一个大型示范工厂，并开发一个用于钢铁生产的工业规模电池槽。
减排，势不可挡
现代炼钢的主要方法是将氧化铁与焦炭（是一种来自煤中的坚硬多孔的物质）一起放入熔炉。在高温下，焦炭会转化成一氧化碳，并从铁中吸收氧元素，产生一种中间金属，即“生铁”，与此同时还会释放出二氧化碳进入大气。
最近美国《科学》杂志上发表的一篇名为“我们还不知道该如何削减超过四分之一的能源排放”的论文指出，上述过程中的这一步骤和其他步骤每年约向大气中排放1.7亿吨的二氧化碳，占全球二氧化碳排放总量的5%左右。尽管这些数据惊人，但实际数据可能更高，因为这一结论并没有将生产前点燃熔炉所需要的燃料考虑在内。
“汽车、建筑物和桥梁都很依赖钢铁，”加州大学欧文分校的地球系统科学家、该研究的第一作者Steven Davis表示。 “因此，除非我们改变这一点。我们需要找到一种方法减少这一过程中碳的使用。但没有任何迹象表明我们在作出改变。”
但要彻底消除碳排放，要么就是在二氧化碳离开炼钢厂之前将其捕获（但这项技术既贵又难实现），要么就是用替代材料将氧化铁中的氧元素去除。
意外收获
其实，电解槽炼钢技术的提出是一次意外收获。
在本世纪头十年的中期，美国宇航局（NASA）曾向能弄清如何从月球表面提取氧气（这是建立月球基地的先决条件）的第一个研究小组提供了25万美元的奖金。麻省理工学院化学家Donald Sadoway提议使用一种电解槽——它可以产生电流来分解化合物——从月球岩石中提取氧气。其副产品是熔融金属，这一思路也促使他开始探索用类似的方法处理地球上的金属的可能性。
但是生产像钢铁这样的东西需要一种由廉价材料制成的阳极，这种材料在高温下不会腐蚀，也不容易与氧化铁发生反应。2013年，Sadoway和麻省理工学院冶金研究员Antoine Allanore在《自然》杂志上发表的一篇论文中得出结论，由铬基合金制成的阳极可能是符合上述要求的最佳选择。
2017年，Sadoway、Allanore和另一位合伙人共同创办了一家名为Boston Electrometallurgical的初创企业，后来就发展成为Boston Metal。截至目前，该公司已筹集了1300万美元，这些资金主要来自巴西投资者Ingo Wender、美国能源部和美国国家科学基金会。
犹豫不决地改变
在Boston Metal里，有一个电解槽格外显眼。这是一个矮胖的金属圆柱体，其顶部有一个烟囱状的管子，前面有一个环形的开口。这一电解槽旨在生产铁合金，这是一种用于生产某些级别钢材的材料，也是这家初创企业最初的目标市场。
实际上，烟囱状的管子是一个阳极。沿着底部的一层薄金属形成阴极。这些正电极和负电极在一起能起到一种泵的作用，推动电子通过腔室中的电解液——金属矿物和其他氧化物的混合物。
电解液中的精确成分是该公司核心技术的关键部分。就钢而言，其他氧化物在高温下充当溶剂溶解氧化铁，但其自身并不会分解。
当电流加热溶解液的时候，从铁气泡中释放出来的氧气会上升到溶解液的顶部，而由此产生的金属则会在溶解液的底部积聚起来。一旦操作者“轻敲”，熔化的金属就会以炽热的橘红色线条倾泻而出。
在炼钢过程中使用碳的一个好处在于，它可以赋予最终产品以足够的强度，至少在其比例合适的情况下是这样。该公司战略总监Adam Rauwerdink曾在一封电子邮件中写道，为了生产特定级别的钢材，只要在金属冷却时加入碳和其他材料即可。
但有些人想知道，对于以保守著称的钢铁行业而言，这究竟有多大的说服力。毕竟，钢铁行业生产的材料是需要支撑起摩天大楼的。“钢铁本身的机械性能在某种程度上需要碳，”加州理工学院化学家Nathan Lewis在一封电子邮件中解释道。“可以理解的是，钢铁行业对改变这一过程是犹豫不决的。”
曾领导全球最大的铌产品生产商——巴西矿冶公司（CBMM）的Tadeu Carneiro如今来到Boston Metal担任首席执行官。他对未来已有了新的设想，接下来的三年计划建立一个生产铁合金的示范工厂，与此同时，还将开始设计和建造一个适用于生产钢铁的全尺寸电池槽。
Carneiro希望在7年内实现这些设想。这样，公司就可能会寻求更多的商业模式，包括许可技术、与金属制造商合作、销售电池槽或直接生产金属。
当然，直到产品真正在商业规模上进行生产和测试之前，现在就说它究竟能起多大的作用还为时尚早。而且，仅仅以相同的价格制造一个绿色版本的产品并不足以改变整个行业，毕竟，钢铁厂投入数十亿美元的沉没成本是希望其可以运行几十年的。此外，一个不容忽视的事实是，钢铁行业主要分布在那些相对贫穷或经济困难的国家。
道阻且长，行则将至。虽然困难重重，但Carneiro相信公司会克服诸多的技术挑战，用实力去证明这项技术的实用性与经济性，最终说服整个行业作出改变。
显然，改造价值近1万亿美元的钢铁行业不可能一蹴而就，这将是一个漫长的过程。但是如果这家初创企业的尝试与努力最终得到验证，那么其至少能为解决气候难题中最困难的部分点燃一些希望的“火苗”。■
《科学新闻》 (科学新闻2018年10月刊 能源)
