'친환경' 철강 공정 개선을 위한 연구

Aug 06, 2023

철강은 가장 중요한 산업자재 중 하나로, 전 세계적으로 연간 20억 톤 이상이 생산됩니다. 강철은 인장 강도가 높고 가격이 저렴하기 때문에 건축, 가전제품부터 선박, 기차, 자동차, 자전거에 이르기까지 모든 분야에 사용됩니다.

그러나 철강 제조 공정은 인간이 배출하는 전체 온실가스 배출량의 7~11%를 차지할 정도로 환경에 큰 영향을 미칩니다. 철강산업을 별도의 국가로 본다면, 철강산업은 세계 5위의 이산화탄소 생산국이 될 것입니다.

전통적으로 제련소는 산화철과 탄소 및 강렬한 열을 혼합하는 탄소열 접근 방식을 통해 철광석에서 산소를 제거하여 강철을 만듭니다. 배출량을 줄여야 한다는 정부와 투자자의 압력이 높아지면서 철강 업계는 탄소 집약적인 제조 대신 수소를 사용하는 친환경 철강 프로젝트를 실험하고 있습니다.

그러나 수소 기반 직접 환원이 정확히 어떻게 작동하는지 완전히 이해되지 않았습니다. 토마스 J. 왓슨(Thomas J. Watson) 공과대학 및 응용과학 대학의 기계공학과 교수이자 Binghamton 대학의 Guangwen Zhou 교수는 최근 국립과학재단(National Science Foundation)으로부터 원자 수준의 과정을 연구하기 위해 470,700달러의 보조금을 받았습니다.

Zhou는 “수소를 이용한 산화철의 환원을 살펴보면 매우 간단해 보입니다.”라고 말했습니다. “당신은 철과 물을 생산합니다. 실제로 반응에는 여러 다른 중간 고체상이 포함되기 때문에 실제로는 상당히 복잡합니다. 더 나은 효율성을 얻으려면 어떤 경로를 더 개선할 수 있는지 살펴봐야 합니다.”

Binghamton 소재 연구소의 부소장이자 재료 과학 및 엔지니어링 프로그램의 부소장인 Zhou는 10년 넘게 금속 산화물을 연구해 왔습니다. 2011년에 그의 연구는 연구 및 교육에서 학문적 역할 모델이 될 수 있는 잠재력을 가진 초기 경력 교수진을 지원하는 NSF CAREER Award를 수상했습니다.

최근에는 브룩헤이븐 국립연구소(Brookhaven National Laboratory) 및 기타 협력자들과 팀을 이루어 산화물 반응에 대한 두 가지 주요 실시간 연구를 진행하여 공정 작동 방식과 반응 제어 방법에 대한 새로운 통찰력을 제공했습니다.

이 새로운 NSF 보조금의 경우 Zhou가 수석 연구원이지만 그와 그의 학생들은 환경 투과 전자 현미경(TEM) 및 주변 압력 X선 광전자 분광법(AP-XPS)을 포함한 Brookhaven의 장비를 사용하여 가능한 경로를 연구할 것입니다. 섭씨 1,000도(화씨 1,800도)를 초과하는 온도의 산화철에서 나온 철.

“우리는 반응 과정과 그 복잡한 변형의 기본 연대기에 대한 근본적인 이해를 제공하고 싶습니다.”라고 그는 말했습니다. "이 사실을 알게 되면 수소의 양, 압력 또는 온도와 같은 요소를 활용하여 공정을 최적화할 수 있습니다."

지구가 기록상 가장 더운 여름 동안 땀을 흘리는 가운데, 탄소 배출을 줄이는 것이 그 어느 때보다 시급해 보입니다.

Zhou는 “이 프로젝트는 적절한 시기에 이루어졌다고 생각합니다.”라고 말했습니다. “온실가스 감축의 필요성 때문에 연구계와 사회의 많은 관심이 있습니다.”