MIT docent i metallurgi Antoine Allanore har fått ett anslag på 1,9 miljoner USD från US Department of Energy's Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) för att genomföra större tester av ett nytt sätt att producera koppar med hjälp av elektricitet för att separera koppar från smält svavel. baserade mineraler, som är huvudkällorna till koppar.

Ett av Allanores primära mål är att göra koppar med hög renhet som kan gå direkt till produktion av koppartråd, som efterfrågas allt mer från förnybar energi till elfordon. Produktionen av el- och hybridbilar och bussar förväntas öka från 3,1 miljoner fordon 2017 till 27,2 miljoner år 2027, med en åtföljande niofaldig ökning av efterfrågan på koppar från 204, 000 ton till 1,9 miljoner ton (2,09 miljoner amerikanska ton) under samma period, enligt en IDTechEx-rapport från mars 2017 på uppdrag av International Copper Association (ICA).

I juni 2017, forskare i Allanores labb identifierade hur man selektivt separerar ren koppar och andra metalliska element från sulfidmineralmalm i ett steg. Deras elektrolysprocess för smält sulfid eliminerar svaveldioxid, en skadlig biprodukt av traditionella kopparextraktionsmetoder, istället producerar rent elementärt svavel.

"Vi tror att vi med vår teknik skulle kunna förse dessa koppartrådar med mindre energiförbrukning och högre produktivitet, " säger Allanore. Det kan vara möjligt att minska energin som behövs för att tillverka koppar med 20 procent.

I tidigare forskning, postdoc Sulata K. Sahu och doktorand Brian J. Chmielowiec '12, sönderdelade svavelrika mineraler vid hög temperatur till rent svavel och extraherade tre olika metaller med mycket hög renhet:koppar, molybden, och rhenium. Processen liknar Hall-Héroult-processen, som använder elektrolys för att producera aluminium, men arbetar vid en högre driftstemperatur för att möjliggöra produktion av flytande koppar.

För närvarande, det krävs flera steg för att separera koppar, första krossning av sulfidmineraler, och sedan flyta ut de kopparbärande delarna. Detta kopparrika material - kopparkoncentrat - raffineras sedan delvis i ett smältverk, och renas ytterligare med elektrolytisk raffinering. "Professor Allanores tillvägagångssätt skulle fungera på kopparkoncentratet och har potential att producera kopparstav i en enda operation samtidigt som man separerar oönskade föroreningar och återvinner värdefulla biprodukter som också finns i koncentratet, säger Hal Stillman, chef för teknikutveckling och överföring för International Copper Association. "Professor Allanores tillvägagångssätt är ett stort steg; det tillåter ett helt nytt tillvägagångssätt för att förädla koppar."

Det treåriga, 1,89 miljoner USD DOE-utmärkelse kommer att tillåta Allanores grupp att göra en större reaktor, producerar cirka 10 gånger så mycket flytande koppar per timme, och att driva reaktorn under en längre tid, tillräckligt för att identifiera vad som händer med de andra metallerna som följer med koppar, som också är kommersiellt viktiga.

Allanores gruppinsats började i år, och han hoppas att det ska ge de data som behövs för att gå vidare till en pilotanläggning inom tre år. "Vi strävar efter att vara redo att tillhandahålla designkriterierna, material och driftsförhållanden för en demonstrationsreaktor med ett ton per dag, " säger Allanore. "Om allt är framgångsrikt, det är vad vi kommer att leverera."

Viktiga tekniska utmaningar att övervinna är att bevisa processens hållbarhet över en längre tidsperiod och att verifiera renheten hos de metaller som tillverkas i processen. Några av biprodukterna från kopparproduktion, selen, till exempel, är värdefulla i sin egen rätt.

"Revolutionen som vi föreslår är att bara en reaktor skulle göra allt. Den skulle göra den flytande kopparprodukten och tillåta oss att återvinna elementärt svavel, och låter oss återvinna selen, " säger Allanore. "Vi använder el, och elektroner kan vara mycket selektiva, så vi använder elektroner på ett sätt som möjliggör den mest effektiva separationen av produkterna från den kemiska processen."

Konventionell pyrometallurgi producerar koppar genom att förbränna malmen i luft, kräver fyra steg och producerar skadliga föreningar som svaveldioxid (SO2) som kräver sekundär bearbetning till svavelsyra. Den första kopparsatsen kräver också ytterligare bearbetning. "Det lämnar efter sig kopparmetall med för mycket svavel och för mycket syre, för mycket för nedströms direkt trådproduktion, " säger Allanore.

Allanore labs nya elektrolysmetod för smält sulfid hanterar bättre spårmetaller och andra föroreningar som kommer med kopparn, möjliggör separation av flera element med hög renhet från samma produktionsprocess. "Därför, vi kan tänka om tillverkningsprocessen för koppartrådar, " säger Allanore.

"Den väsentliga delen handlar om att tillhandahålla sektorn — gruvföretag, befintliga smältverk och befintliga kopparproducenter – några data som visar vad som händer i längre verksamheter och i större skala, " säger Allanore.

International Copper Association genomförde en livscykelanalys som identifierade flera områden där kopparindustrin kan förbättra sitt miljöavtryck. Studien indikerar att industrin måste fortsätta att minska svaveldioxidutsläppen på plats och få sin el från källor som är mer miljövänliga. Allanores projekt är relevant för båda dessa frågor. "Om den utvecklas och distribueras, det har potential att minska energibehovet, drivs helt med förnybar energi, och minska svaveldioxidutsläppen, " ICA teknikdirektör Stillman säger. "Dessutom det kan separera oönskade föroreningar och återvinna värdefulla biprodukter från koncentratet. Just nu, det tekniska beviset som skapar spänning är en småskalig proof-of-princip-demonstration. Det är bra att EERE har tillhandahållit den nödvändiga initiala finansieringen för att utforska potentialen. Om processen fungerar i större skala, det kan vara den typ av revolutionerande tillvägagångssätt som branschen eftersträvar."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.