Vätgas kan frigöra järn ur kopparslagg
Mer än 99 procent av järnet i en kopparslagg kunde återvinnas i laboratorieförsök med vätgasreduktion följd av smältseparation. Forskarna beräknar kraftigt lägre energianvändning och klimatutsläpp än vid kolbaserad reduktion. Men lång behandlingstid, hög vätgashalt och ett efterföljande smältsteg visar också avståndet till industriell drift.
Kopparslagg bildas vid smältning och raffinering av koppar och innehåller ofta stora mängder järn. Järnet är emellertid kemiskt bundet, bland annat i järnsilikatet fayalit, och kan därför inte utan vidare användas som råvara i ett stålverk.
Forskarna Can Li och Shiwei Zhou med fler vid Kunming University of Science and Technology har undersökt en process i två steg. Först reduceras de järnhaltiga föreningarna med vätgas utan att slaggen smälts. Därefter smälts det behandlade materialet så att järnet kan separeras och samlas i en metallisk legering.
Det skiljer metoden från både traditionell kolbaserad reduktion och processer där vätgas sprutas direkt in i en smälta.
Över 99 procents återvinning
Försöken visar att fayaliten kräver relativt hög temperatur och hög koncentration av vätgas för att reduceras effektivt. Det bästa resultatet uppnåddes vid 950 grader, sex timmars behandling, en vätgashalt över 80 procent och ett gasflöde på minst 10,8 liter per gram slagg.
Under dessa förhållanden översteg järnåtervinningen 99 procent. Efter den följande smältseparationen innehöll den framställda järnlegeringen omkring 96,6 viktprocent järn.
Resultatet visar att järnet kan frigöras ur slaggens komplexa mineralstruktur. Det innebär däremot inte att materialet redan är färdigt att använda i kommersiell ståltillverkning. För ett stålverk är halten av koppar och andra kvarvarande ämnen avgörande. Koppar är exempelvis svårt att avlägsna ur en stålsmälta och kan försämra stålets egenskaper om halten blir för hög.
Klimatvinsten är beräknad
När vätgas reagerar med järnoxid bildas vatten i stället för koldioxid. Forskarna beräknar att deras process kan minska den samlade energianvändningen med 91,5 procent och växthusgasutsläppen med 94,9 procent jämfört med konventionell kolbaserad reduktion av kopparslagg.
Siffrorna bygger på beräkningar, inte på uppmätt drift i en fullskalig anläggning. Resultatet påverkas också av hur vätgasen, elektriciteten och processvärmen produceras. Vätgasreduktion är därför inte automatiskt en process med låga utsläpp.
Även smältseparationen kräver energi. För en industriell bedömning behöver hela kedjan räknas in, från framställning och eventuell återcirkulation av vätgas till uppvärmning, smältning och rening av den färdiga legeringen.
Relevant även för nordiska smältverk
Studien är relevant för nordisk metallindustri eftersom kopparslagg redan tas till vara på andra sätt. Vid Bolidens kopparsmältverk Rönnskär granuleras exempelvis slagg till järnsand, ett järnsilikatmaterial som har använts som ballast i bygg- och anläggningsprojekt.
Forskarna har inte undersökt slaggen från Rönnskär, och resultaten visar därför inte att samma process kan användas där. Kopparslaggens sammansättning varierar mellan smältverk, råvaror och processer. Alternativet att utvinna järn behöver dessutom vägas mot befintliga användningar av slaggen.
Nästa steg är att pröva tekniken i större skala och med slagg från olika anläggningar. Det återstår också att visa om sex timmars reduktion med en vätgashalt över 80 procent kan bli tekniskt och ekonomiskt rimlig, och om den utvunna legeringen håller tillräcklig kvalitet för att bli en verklig råvara för stålindustrin.
Referens: Can Li, Shiwei Zhou, Yonggang Wei, Bo Li och Hua Wang, ”Toward Low-Carbon Metallurgy: Sustainable Iron Recovery from Copper Slag Using Hydrogen Reduction”, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, volym 14, nummer 29, 2026, sidorna 13339–13354.