Los láseres son una alternativa viable al calor elevado

Una de las principales causas de contaminación en China es la industria de metales no ferrosos, que procesa metales pesados ​​para su uso en una variedad de industrias. En un esfuerzo por lograr los objetivos de neutralidad de carbono de China antes de 2060, los investigadores están estudiando cómo reducir las emisiones de carbono en esta industria vital. En un artículo publicado recientemente, los investigadores proponen fundir zinc con láser en lugar del tradicional tostado y electrólisis a alta temperatura.

El artículo fue publicado en Fronteras de la ciencia y la ingeniería ambientales El 17 de agosto.

«La industria del zinc, con emisiones totales de dióxido de carbono de 33 millones de toneladas, es el principal impulsor de las emisiones de gases de efecto invernadero. Se estima que la industria del zinc electrolítico en China produce alrededor de 6 millones de toneladas de desechos sólidos peligrosos cada año, causando daños ambientales. contaminación y riesgos importantes para la salud». Escuela de Ingeniería y Ciencias Ambientales, Universidad Tongji en Shanghai, China. «Proponemos un nuevo método en metalurgia óptica, que utiliza la fotorreducción inducida por láser para descomponer la esfalerita y reducir los iones metálicos a metal. Dado que no utiliza tostación a alta temperatura, este método proporciona una nueva forma de producir metal de alta pureza sin las emisiones de gases de efecto invernadero y la contaminación por metales pesados ​​causadas por la electrólisis de zinc tradicional.

Una sustancia llamada esfalerita (ZnS) es la principal materia prima para producir zinc electrolítico. Es un candidato ideal para el tratamiento con láser propuesto porque responde bien a la luz. Luego, los investigadores construyeron un dispositivo experimental para probar la reacción de la esfalerita a la degradación inducida por láser. Incluía un láser, una lente, una cámara de vacío y una cámara. La cámara de vacío evitó la interferencia del oxígeno en el experimento.

Los investigadores completaron espectroscopia Raman, análisis XPS y análisis de espectros EXAFS para determinar cómo respondió la esfalerita al láser. También estudiaron la forma exacta del daño causado por el láser mediante un microscopio electrónico. Cuando el láser interactúa con la superficie de la esfalerita, produce una reducción fotoquímica y una reducción fototérmica. El efecto fototérmico que se produce cuando un láser ultravioleta brilla sobre la esfalerita es poderoso y crea energía de vibración molecular que se convierte en energía térmica. Esto conduce a un aumento de la temperatura de la superficie de la esfalerita, la rotura de enlaces iónicos, la fusión y evaporación de los materiales en la superficie de la esfalerita y la producción de zinc.

«Este estudio demostró que se puede producir zinc descomponiendo la esfalerita mediante irradiación láser bajo una atmósfera de gas inerte argón. Este proceso no requiere altas temperaturas y no produce gases de efecto invernadero ni contaminantes. Nuestros resultados son alentadores para las perspectivas de la mineralogía óptica. «Dijo Duan.

Los investigadores también realizaron una comparación económica entre la metalurgia óptica y la metalurgia convencional para la producción de zinc para garantizar que el método de irradiación láser propuesto no fuera prohibitivamente caro. Estimaron costos operativos anuales de 1.900 millones de CNY (261 millones de dólares estadounidenses) para una planta de extracción de zinc convencional y 1.670 millones de CNY (219 millones de dólares estadounidenses) para la extracción óptica de zinc. Este análisis económico demostró la viabilidad de la metalurgia óptica como alternativa a las técnicas convencionales de tostación a alta temperatura.

De cara al futuro, los investigadores esperan encontrar formas de ampliar el alcance de la fotometalurgia. «La tecnología se encuentra actualmente a nivel de laboratorio. Se necesita una cantidad significativa de estudios adicionales para realizar la tecnología de metalurgia fotovoltaica de zinc, la planta piloto y la planta terminada a gran escala», dijo Duan.

Otros contribuyentes incluyen a Ying Chen, Linhua Jiang, Fuyuan Xu, Yao Wang, Wen Qing y Yanli Xu de la Facultad de Ciencias e Ingeniería Ambientales de la Universidad de Tongji; Guangbin Zhou de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Ambientales de la Universidad de Tianjin; y Yong Liu en la Escuela de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Anhui.

La Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China y los Fondos de Investigación Fundamental de la Universidad Central y la Universidad Tongji apoyaron esta investigación.

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