An exploratory study of electrolysis of natural iron ores for iron production

Steelmaking is considered one of the hard-to-abate industries, for its high dependence on coal, due to carbothermic processes. It is responsible for about 8% of CO2 global emissions. For decarbonization of steel and iron industry, the electrochemical approach for reduction of iron ores is a promising alternative to thermochemical method due to its small energy consumption and without the intermediate use of energy vectors, such as hydrogen. This work investigates the feasibility of low-temperature alkaline electrolysis of natural ores for iron production via lab-scale experiments. This work first concerns direct measurement of in-line measurement of iron mass during the reduction process using a load cell. This in-line measurement helps to better understand what's going on for the deposition process inside the slurry opaque electrolyte. The measured mass gain profiles show an overall linear increase during the deposition process. However when no stirring/agitation applied in the system, the weight gain reaches to a plateau in about 40 minutes, which is caused by the sedimentation of the ore particles. With stirring/agitation, the ore particles are maintained in suspension, which ensures sufficient contact with electrodes or dissolution into solution, crucial for effective electrodeposition. Next, systematic electrochemical experiments were performed to study the efficiency of iron electrodeposition using natural iron ores as feedstock. Material characterization was done before and after the experiments, by means of XRD and SEM examinations. In general, the experiments demonstrate the feasibility of production of high-purity iron through alkaline electrolysis of iron ores at low temperatures around 110°C. However, the deposition efficiency highly depends on the operation system, including the particle size and composition, mixing efficiency for the slurry electrolyte, etc. A Faradaic efficiency of 72% was achieved in this study using 20 wt% of iron ore (43% Hematite, 52% Magnetite, 5% gauge) with mean size of 20 microns, with sufficient mixing of the electrolyte at 200 rpm. Finally, a mathematical model was established to describe the dissolution-redeposition mechanism of this electrolysis process. With a Shrinking Core Model for the description of particle dissolution, this mathematical model qualitatively explains the effect of particle size on the deposition efficiency, which was observed from current experiments. The entire project/study is considered a first yet important step towards industrial application of low-temperature electrolysis for clean iron and steel production.

La produzione di acciaio è considerata una delle industrie più difficili da decarbonizzare, a causa della sua dipendenza con il carbone, dovuto ai processi carbotermici. E' responsabile per circa l'8% delle emissioni globali di CO2. Per la decarbonizzazione dell'industria di acciaio e ferro, l'approccio elettrochimico per la riduzione di ossidi di ferro è un'alternativa promettente grazie al metodo termochimico, dovuto al basso consumo di energia e senza l'utilizzo intermedio di vettori energetici, come l'idrogeno. Questo lavoro analizza la fattibilità dell'elettrolisi alcalina a bassa temperatura dei minerali naturali per la produzione di ferro attraverso esperimenti su scala di laboratorio. Il primo aspetto studiato riguarda la misurazione diretta in tempo reale della massa del ferro durante il processo di riduzione, utilizzando una cella di carico. Questa misurazione in tempo reale aiuta a comprendere meglio cosa succede durante il processo di deposizione all'interno dell’elettrolita opaco in sospensione. I profili di incremento di massa misurati mostrano un aumento complessivo lineare durante il processo di deposizione. Tuttavia, in assenza di agitazione nel sistema, l’aumento di peso raggiunge un plateau dopo circa 40 minuti, a causa della sedimentazione delle particelle del minerale. Con agitazione, invece, le particelle di minerale sono mantenute in sospensione, garantendo un contatto sufficiente con gli elettrodi o la loro dissoluzione in soluzione, elemento cruciale per un'efficace elettrodeposizione. Successivamente, sono stati eseguiti esperimenti elettrochimici sistematici per studiare l'efficienza dell'elettrodeposizione del ferro utilizzando minerali di ferro naturali come materia prima. La caratterizzazione dei materiali è stata effettuata prima e dopo gli esperimenti, mediante analisi XRD e SEM. In generale, gli esperimenti dimostrano la fattibilità della produzione di ferro ad alta purezza attraverso l'elettrolisi alcalina dei minerali di ferro a basse temperature, intorno ai 110°C. Tuttavia, l'efficienza della deposizione dipende fortemente dal sistema operativo, tra cui la dimensione e la composizione delle particelle, l'efficienza della miscelazione dell'elettrolita in sospensione, etc. In questo studio è stata raggiunta un’efficienza faradica del 72% utilizzando una concentrazione del 20% in peso di ossidi di ferro (43% Ematite, 52% Magnetite, 5% scarto) con una dimensione media di 20 micron e un miscelazione sufficiente dell’elettrolita a 200 rpm. Infine, è stato sviluppato un modello matematico per descrivere il meccanismo di dissoluzione e rideposizione di questo processo elettrolitico. Utilizzando un Modello del Nucleo in Contrazione (Shrinking Core Model) per descrivere la dissoluzione delle particelle, il modello matematico spiega qualitativamente l’effetto della dimensione delle particelle sull’efficienza della deposizione, come osservato negli esperimenti condotti. L'intero progetto/studio è considerato un primo, ma importante, passo verso l’applicazione industriale dell’elettrolisi a bassa temperatura per una produzione pulita di ferro e acciaio.