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德国高效镍提炼技术 2分钟炼出高纯镍铁合金

发布时间: 2025-05-27 06:59:17    最后更新: 2026-10-06 23:50:18    阅读:153  约5 分钟阅读     

【中国观察2025年05月27日讯】鉴于当代科技对于锂电池相关产品需求持续增长,而生产锂电池所需的镍、钴和锂等金属,则需要耗费大量能源和容易造成环境污染。这次,德国的科学家开发一种高效镍金属提炼方法,能显着降低污染与耗能。

除了锂电池之外,不锈钢与其它合金在日常生活用品、制船业、基础设施、运输系统中被广泛应用,而它们均需使用大量镍金属。另外,镍金属还具有铁磁性、氧化缓慢与耐腐蚀性等特性,被用于永磁体、合金和一些高温合金上。

有报告预估,至2040年人们对于镍的需求量将增长至600万吨,原因在于基础设施和运输系统电气化程度不断地提高。然而,从低品质镍矿(占当前镍总储量的60%)提炼镍金属,所需耗费的能源和产生的二氧化碳为高品质镍矿的数倍,引发一些人的担忧。

由于传统镍矿提炼过程,涉及煅烧、冶炼、精炼等多个阶段,皆耗能巨大。为追求生产效益,工厂大多会选用高品质镍矿石,原因是低品质镍矿石里面的镍含量不仅少,且富含硅酸镁、硫、铁、铝、黏土等大量杂质,导致提炼过程中所需的能源、化学试剂和成本均大幅增加。

这次,拥有100多年历史的德国马克斯普朗克学会永续材料研究所(MPI-SusMat)研究人员开发一种节能、低碳且高效的新方法,该方法不仅绕过传统的镍(Ni)矿提炼过程,还能从那些容易被忽略的低品质镍矿石(高杂质红土镍矿)中,快速萃取出镍铁合金。

该研究成果于4月30日发表到《自然》杂志上,共获得1.8万次观看和10多家科技新闻媒体报导。

研究团队利用“氢等离子体熔融还原法”(HPSR)取代传统的碳基还原工艺,使反应炉中的低品质镍矿石中的晶体结构,分解成更简单的铁、镍离镁、氧和氧化硅离子物质,整个过程无需任何催化剂,仅需要加入氩气(Ar)和少量氢气(H2)即可完成还原工作。

“氢等离子体熔融还原法”是一种通过电弧或高频电场将氢气进行电离,过程中数千摄氏度的氢离子体,会将金属矿石中的金属氧化物还原成液态金属,便于分离和收集,因此常用于提取矿石中的铁、镍等金属,其副产物为水蒸气。

随后在反应炉中,同时进行冶炼、还原和精炼过程,形成“单一冶金步骤”。该方法提炼过程只需要2到4分钟,即可将高杂质红土镍矿石还原成杂质少、纯度高的镍铁合金(其镍含量可达44wt%、铁含量55wt%、硅含量少于0.04wt%、磷含量约0.01wt%、钙含量少于0.09wt%)。

此外,该种方法不仅可以减少84%的二氧化碳排放量,还能使用再生电力和氢气进行驱动,能源效率整体提高18%。同时拓宽可用镍矿范围,使低品质镍矿开采更具成本效益和永续性,并促进运输业电气化发展进程。

研究人员表示,这些经过还原的高纯度镍合金,可直接用于不銹钢、磁铁合金生产上,无需额外耗能的精炼处理。若进一步精炼这些高纯度镍合金,可直接用作锂电池电极材料。另外,还原过程中产生的炉渣,还可制成建筑业常用的砖块和水泥。

他们还表示,新的提炼方法也适用于提炼钴金属,该金属目前被广泛用于电动车和储能系统。他们计划下一步优化生产流程与规模,让该技术能够实际应用于工业上,同时也让低品质镍矿能得到更广泛的利用。

该论文的第一作者、永续材料研究所博士研究员乌拜德‧曼苏尔(Ubaid Manzoor)对该协会的新闻室解释道,“如果我们继续以传统方式生产镍并用于电气化,这方式只是在转移问题而不是解决问题。”

该论文的通讯作者、永续材料研究所“可持续材料合成”小组负责人伊斯纳尔迪‧索萨‧菲略(Isnaldi Souza Filho)教授则表示,“这次,我们透过氢等离子体控制电弧炉内的热力学过程,使低品质镍矿中的复杂矿物结构,能够在没有催化剂的情况下,分解成更简单的金属离子。”

曼苏尔解释道,“该种方式是让镍矿石在反应界面上,还原成更简单的离子,且确保未还原的部分能够持续反应。这种反应可透过高电流短弧、炉子下方整合外部电磁搅拌装置,或气体注入方式来实现。”

该研究由欧洲研究理事会(ERC)的高级拨款资助。

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