Lasery są realną alternatywą dla wysokiej temperatury

Jedną z głównych przyczyn zanieczyszczeń w Chinach jest przemysł metali nieżelaznych, który przetwarza metale ciężkie do wykorzystania w różnych gałęziach przemysłu. Próbując osiągnąć cele Chin w zakresie neutralności pod względem emisji dwutlenku węgla przed 2060 r., naukowcy badają, w jaki sposób zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych w tej ważnej branży. W niedawno opublikowanym artykule badacze proponują laserowe topienie cynku zamiast tradycyjnego prażenia w wysokiej temperaturze i elektrolizy.

Artykuł ukazał się w Granice nauk i inżynierii środowiska 17 sierpnia.

„Przemysł cynkowy, którego całkowita emisja dwutlenku węgla wynosi 33 miliony ton, jest głównym czynnikiem powodującym emisję gazów cieplarnianych. Szacuje się, że przemysł cynku elektrolitycznego W Chinach co roku wytwarza się około 6 milionów ton niebezpiecznych odpadów stałych, powodując szkody dla środowiska zanieczyszczeń i poważnych zagrożeń dla zdrowia.” Szkoła Nauk i Inżynierii Środowiska, Uniwersytet Tongji w Szanghaju, Chiny. „Proponujemy nową metodę w metalurgii optycznej, która wykorzystuje fotoredukcję indukowaną laserem w celu rozkładu sfalerytu i redukcji jonów metali do metalu. Ponieważ metoda ta nie wykorzystuje prażenia w wysokiej temperaturze, zapewnia nowy sposób wytwarzania metalu o wysokiej czystości bez emisji gazów cieplarnianych i zanieczyszczeń metalami ciężkimi powodowanymi tradycyjną elektrolizą cynku.

Głównym materiałem źródłowym do produkcji cynku elektrolitycznego jest substancja zwana sfalerytem (ZnS). Jest idealnym kandydatem do proponowanego zabiegu laserowego, ponieważ dobrze reaguje na światło. Następnie badacze zbudowali eksperymentalne urządzenie do testowania reakcji sfalerytu na degradację wywołaną laserem. Zawierał laser, soczewkę, komorę próżniową i kamerę. Komora próżniowa zapobiegła ingerencji tlenu w eksperyment.

Naukowcy przeprowadzili spektroskopię Ramana, analizę XPS i analizę widm EXAFS, aby określić, jak sfaleryt zareagował na laser. Zbadali także dokładny kształt uszkodzeń spowodowanych przez laser za pomocą mikroskopu elektronowego. Kiedy laser oddziałuje z powierzchnią sfalerytu, następuje redukcja fotochemiczna i redukcja fototermiczna. Efekt fototermiczny występujący, gdy laser ultrafioletowy oświetla sfaleryt, jest potężny i wytwarza energię wibracji molekularnych, która zamienia się w energię cieplną. Prowadzi to do wzrostu temperatury powierzchni sfalerytu, zerwania wiązań jonowych, topnienia i odparowania materiałów na powierzchni sfalerytu oraz produkcji cynku.

„Badanie to wykazało, że cynk można wytwarzać poprzez rozkład sfalerytu za pomocą napromieniania laserowego w obojętnej atmosferze argonu. Proces ten nie wymaga wysokich temperatur i nie powoduje powstawania żadnych gazów cieplarnianych ani substancji zanieczyszczających. Nasze wyniki są zachęcające dla perspektyw mineralogii optycznej, – powiedział Duan.

Naukowcy przeprowadzili także porównanie ekonomiczne metalurgii optycznej z metalurgią konwencjonalną w zakresie produkcji cynku, aby upewnić się, że proponowana metoda napromieniowania laserowego nie jest zbyt kosztowna. Oszacowali roczne koszty operacyjne na 1,9 miliarda CNY (261 milionów dolarów) w przypadku konwencjonalnego zakładu wydobycia cynku i 1,67 miliarda CNY (219 milionów dolarów) w przypadku optycznego wydobycia cynku. Ta analiza ekonomiczna wykazała wykonalność metalurgii optycznej jako alternatywy dla konwencjonalnych technik prażenia w wysokiej temperaturze.

Patrząc w przyszłość, badacze mają nadzieję znaleźć sposoby na poszerzenie zakresu fotometalurgii. „Technologia jest obecnie na poziomie laboratoryjnym. Potrzebna jest znaczna liczba dodatkowych badań, aby wdrożyć na dużą skalę technologię fotowoltaicznej metalurgii cynku, instalację pilotażową i gotowy zakład” – powiedział Duan.

Inni współautorzy to Ying Chen, Linhua Jiang, Fuyuan Xu, Yao Wang, Wen Qing i Yanli Xu z Wydziału Nauk i Inżynierii Środowiska Uniwersytetu Tongji; Guangbin Zhou z Wyższej Szkoły Nauk i Inżynierii Środowiska Uniwersytetu Tianjin; oraz Yong Liu z Wydziału Nauki i Inżynierii Materiałowej Uniwersytetu Naukowo-Technologicznego w Anhui.

Badania te wsparły Chińska Narodowa Fundacja Nauk Przyrodniczych oraz Fundusze Badań Podstawowych Uniwersytetu Centralnego i Uniwersytetu Tongji.

Zastrzeżenie: AAAS i EurekAlert! Nie ponosimy odpowiedzialności za dokładność biuletynów publikowanych w EurekAlert! Za pośrednictwem instytucji wnoszących wkład lub do wykorzystania jakichkolwiek informacji za pośrednictwem systemu EurekAlert.