La production d’aluminium génère chaque année environ 180 millions de tonnes de boues rouges toxiques. Des scientifiques du Max-Planck-Institut für Eisenforschung, un centre de recherche sur le fer, ont maintenant montré comment de l'acier vert peut être produit de manière relativement simple à partir de déchets de production d'aluminium. Dans un four à arc électrique similaire à ceux utilisés dans l'industrie sidérurgique depuis des décennies, ils convertissent l'oxyde de fer contenu dans la boue rouge en fer à l'aide d'un plasma d'hydrogène.
Avec ce procédé, près de 700 millions de tonnes de CO2 De l’acier sans carbone pourrait être produit à partir des 4 milliards de tonnes de boues rouges accumulées à ce jour dans le monde, ce qui correspond à un bon tiers de la production annuelle d’acier dans le monde. Comme le montre l'équipe de Max Planck, le procédé serait également économiquement viable.
Selon les prévisions, la demande d'acier et d'aluminium augmentera jusqu'à 60 % d'ici 2050. Pourtant, la production conventionnelle de ces métaux a un impact considérable sur l'environnement. Huit pour cent du CO2 mondial les émissions proviennent de l’industrie sidérurgique, ce qui en fait le secteur avec les émissions de gaz à effet de serre les plus élevées. Parallèlement, l'industrie de l'aluminium produit chaque année environ 180 millions de tonnes de boues rouges, très alcalines et contenant des traces de métaux lourds tels que le chrome.
En Australie, au Brésil et en Chine, entre autres, ces déchets sont au mieux séchés et éliminés dans de gigantesques décharges, ce qui entraîne des coûts de traitement élevés. Lorsqu'il pleut abondamment, la boue rouge est souvent emportée hors de la décharge, et lorsqu'elle sèche, le vent peut la projeter dans l'environnement sous forme de poussière.
De plus, les boues rouges, très alcalines, corrodent les parois en béton des décharges, provoquant des fuites de boues rouges qui ont déjà déclenché des catastrophes environnementales à plusieurs reprises, par exemple en Chine en 2012 et en Hongrie en 2010. De plus, de grandes quantités de boues rouges la boue est également simplement éliminée dans la nature.
Potentiel d'économie de 1,5 milliard de tonnes de CO2 dans l'industrie sidérurgique
"Notre procédé pourrait simultanément résoudre le problème des déchets liés à la production d'aluminium et améliorer l'empreinte carbone de l'industrie sidérurgique", déclare Matic Jovičevič-Klug, qui a joué un rôle clé dans les travaux en tant que scientifique au Max-Planck-Institut für Eisenforschung. Dans une étude publiée dans la revue Nature , l'équipe montre comment la boue rouge peut être utilisée comme matière première dans l'industrie sidérurgique. En effet, les déchets issus de la production d'aluminium contiennent jusqu'à 60 % d'oxyde de fer.
Les scientifiques de Max Planck font fondre la boue rouge dans un four à arc électrique et réduisent simultanément l'oxyde de fer contenu en fer à l'aide d'un plasma contenant 10 % d'hydrogène. La transformation, connue dans le jargon technique sous le nom de réduction plasma, ne prend que dix minutes, pendant lesquelles le fer liquide se sépare des oxydes liquides et peut ensuite être extrait facilement. Le fer est si pur qu'il peut être transformé directement en acier.
Les oxydes métalliques restants ne sont plus corrosifs et se solidifient en refroidissant pour former un matériau semblable à du verre qui peut être utilisé comme matériau de remplissage dans l'industrie de la construction par exemple. D'autres groupes de recherche ont produit du fer à partir de boue rouge en utilisant une approche similaire avec du coke, mais cela produit du fer hautement contaminé et de grandes quantités de CO2. . L'utilisation de l'hydrogène vert comme agent réducteur permet d'éviter ces émissions de gaz à effet de serre.
"Si l'hydrogène vert était utilisé pour produire du fer à partir des 4 milliards de tonnes de boues rouges générées à ce jour dans la production mondiale d'aluminium, l'industrie sidérurgique pourrait économiser près de 1,5 milliard de tonnes de CO2 ", déclare Isnaldi Souza Filho, chef du groupe de recherche au Max-Planck-Institut für Eisenforschung.
Les métaux lourds contenus dans la boue rouge peuvent également être pratiquement neutralisés grâce à ce procédé. "Après réduction, nous avons détecté du chrome dans le fer", explique Jovičevič-Klug. "D'autres métaux lourds et précieux sont également susceptibles d'être intégrés dans le fer ou dans une zone distincte. C'est un point que nous étudierons dans des études ultérieures. Les métaux précieux pourraient alors être séparés et réutilisés."
De plus, les métaux lourds qui restent dans les oxydes métalliques y sont fermement liés et ne peuvent plus être éliminés avec de l'eau, comme cela peut arriver avec la boue rouge.
Cependant, produire du fer à partir de boues rouges directement en utilisant de l’hydrogène profite non seulement deux fois à l’environnement; c’est également rentable sur le plan économique, comme l’a démontré l’équipe de recherche dans une analyse des coûts. Avec de l'hydrogène et un mix électrique pour le four à arc électrique provenant uniquement de sources partiellement renouvelables, le procédé en vaut la peine si la boue rouge contient 50 % d'oxyde de fer ou plus.
Si l’on considère également les coûts d’élimination des boues rouges, seulement 35 % d’oxyde de fer suffisent pour rendre le procédé économique. Avec l'hydrogène vert et l'électricité, aux coûts actuels - en tenant également compte du coût de mise en décharge des boues rouges - il faut une proportion de 30 à 40 % d'oxyde de fer pour que le fer obtenu soit compétitif sur le marché.
"Il s'agit d'estimations prudentes car les coûts d'élimination des boues rouges sont probablement assez faibles", explique Isnaldi Souza Filho. Et il y a un autre avantage d'un point de vue pratique :les fours à arc électrique sont largement utilisés dans l'industrie métallurgique, y compris dans les fonderies d'aluminium, car ils sont utilisés pour faire fondre la ferraille. Dans de nombreux cas, l'industrie n'aurait donc besoin que d'investir peu pour devenir plus durable.
"Il était important pour nous de prendre également en compte les aspects économiques dans notre étude", explique Dierk Raabe, directeur du Max-Planck-Institut für Eisenforschung. "C'est maintenant à l'industrie de décider si elle utilisera la réduction plasma de la boue rouge en fer."
Plus d'informations : Matic Jovičević-Klug et al, Acier vert issu de boue rouge grâce à une réduction climatiquement neutre par plasma d'hydrogène, Nature (2024). DOI :10.1038/s41586-023-06901-z
Informations sur le journal : Nature
Fourni par la Société Max Planck
