इलेक्ट्रिफ़ाइंग आयरन: ग्रीन स्टीलमेकिंग का भविष्य

लोहे का महत्व

निवेशकों द्वारा अक्सर लोहे को एक नीरस धातु माना जाता है। यह मुख्यतः वैश्विक आर्थिक चक्रों का अनुसरण करता है और इससे जुड़ी कोई कथा होने की संभावना कम है। कोई भी नहीं मानता कि अगले दशक में बैटरी की मांग, सौर पैनल उत्पादन, अंतरिक्ष दौड़ के बीच एयरोस्पेस बूम, या वैश्विक संघर्ष के बढ़ते जोखिमों के कारण लोहे की मांग तीन गुना हो जाएगी।

लेकिन यह एक गुण भी हो सकता है। आजकल शुद्ध किए जाने वाले सभी धातुओं में लगभग 90% लोहे की ही होती है।

लोहे और इस्पात (जो 97% लोहे से बनते हैं) आधुनिक दुनिया में हम जो कुछ भी दैनिक उपयोग करते हैं, उनमें पूरी तरह से सर्वव्यापी हैं:

• बुनियादी ढांचा: पुल, रेलवे, बंदरगाह।
• निर्माण: सुदृढ़ कंक्रीट, बीम, छत, कील और पेंच, आदि।
• परिवहन: कारें, ट्रेनें, जहाज़।
• औद्योगिक उपयोग: पाइप और पाइपलाइन, भंडारण टैंक, भारी मशीनरी,
• रक्षा: युद्धपोत, टैंक, तोपखाना गोले, बंदूकें, गोलियां, आदि।
• ऊर्जा: भट्ठी, टरबाइन, पवन टरबाइन स्तंभ, सौर पैनल फ्रेम, आदि।
• स्वास्थ्य देखभाल: बिस्तर, शल्य उपकरण, आदि।
• उपभोक्ता वस्तुएँ: रसोई उपकरण, उपकरण, फायरप्लेस, आदि।

हालांकि, लोहे का उत्पादन दुर्भाग्यवश बहुत कार्बन-गहन प्रक्रिया है, जो मुख्यतः एक विशेष प्रकार के कोयले: कोकिंग कोयले पर निर्भर करती है।

कोकिंग कोयले को हरे हाइड्रोजन से बदलने के कुछ प्रयास किए गए हैं, लेकिन केवल बहुत उच्च गुणवत्ता वाले आयरन अयस्क को हाइड्रोजन के साथ उपयोग किया जा सकता है। कोयले की तुलना में हाइड्रोजन की उच्च लागत की भरपाई के लिए कम आयरन सामग्री वाले सस्ते अयस्क की आवश्यकता होगी।

परम्परागत ब्लास्ट फर्नेस प्रक्रिया को फ्लैश आयरन स्मेल्टिंग नामक नई प्रक्रिया द्वारा बदला जा सकता है, जो अयस्क के धीरे-धीरे पिघलने की बजाय विस्फोट के अधिक समान है।

ओरेगन विश्वविद्यालय के शोधकर्ता एक और अधिक रोचक संभावना की जांच कर रहे हैं: उच्च तापमान को समाप्त करके, केवल बिजली से आयरन अयस्क को शुद्ध करना। यह दुनिया के लिए एक बड़ी प्रगति होगी, क्योंकि हरे बिजली को सीधे उपयोग किया जा सकता है, हाइड्रोजन में महंगे रूपांतरण की आवश्यकता नहीं होगी, और यह कुल मिलाकर वैश्विक कार्बन उत्सर्जन को बहुत कम कर देगा।

उन्होंने इस शोध को ACS Energy Letters¹ में प्रकाशित किया, शीर्षक “विस्तार में इलेक्ट्रोकेमिकल आयरननिर्माण के मार्ग, Fe2O3 की प्रत्यक्ष कमी के माध्यम से”。

आयरन अयस्क से आयरन धातु तक

आयरन प्राकृतिक रूप में ऑक्सीकरण रूप में पाया जाता है, विशेष रूप से हीमैटाइट (Fe2O3)। औद्योगिक धातु के रूप में उपयोगी होने के लिए, ऑक्सीजन परमाणुओं को हटाना आवश्यक है।

आमतौर पर, यह कोयला जोड़कर किया जाता है, जिसमें मौजूद कार्बन CO2 में बदल जाता है। वैकल्पिक रूप से, ग्रीन आयरन हाइड्रोजन का उपयोग करता है जो पानी (H2O) में बदल जाता है।

एक अन्य विकल्प यह है कि आयरन ऑक्साइड को पर्याप्त ऊर्जा दी जाए ताकि ऑक्सीजन परमाणु अलग हो सके और गैसीय ऑक्सीजन (O2) बन सके। यही इलेक्ट्रोकेमिकल आयरन-निर्माण का सिद्धांत है। यह एक इलेक्ट्रोकेमिकल प्रतिक्रिया है जो अल्कलाइन स्थितियों (अम्लीय के विपरीत) में सबसे बेहतर काम करती है।

स्रोत: ACS Energy Letters

यह उल्लेखनीय है कि इस प्रक्रिया को बहुत स्केलेबल भी होना चाहिए, क्योंकि वार्षिक वैश्विक आयरन उत्पादन मिलियन टन प्रति वर्ष के पैमाने पर है।

आयरन इलेक्ट्रोरिडक्शन

इस प्रकार की प्रतिक्रिया को अधिक कुशल बनाने के परीक्षण के लिए, शोधकर्ताओं ने एक कस्टम सिस्टम डिजाइन किया जो थोड़ा बैटरी जैसा काम करता है, और केवल 82°C (180°F) पर संचालित होता है।

स्रोत: ACS Energy Letters

इस सेटअप में, आयरन कणों को सोडियम हाइड्रॉक्साइड (NaOH) घोल में निलंबित किया जाता है, लेकिन पिघला हुआ नमक (NaCl) भी संभव है और यह क्लोरीन (Cl2) को उपउत्पाद के रूप में उत्पन्न कर सकता है।

घने आयरन ऑक्साइड को घटाया गया, या मूल आयरन में परिवर्तित किया गया, सबसे चयनात्मक रूप से 50 मिलीऐम्पीयर प्रति वर्ग सेंटीमीटर की करंट डेंसिटी पर, जो लिथियम-आयन बैटरियों को तेज़ी से चार्ज करने के समान है।

उन्होंने पाया कि जबकि प्रक्रिया प्राकृतिक अयस्क के अनियमित आकार के घने कणों और अशुद्धियों के साथ परीक्षण आयरन कणों पर अच्छी तरह काम करती थी, प्रक्रिया पर्याप्त रूप से चयनात्मक और कुशल नहीं थी।

सही परिस्थितियों की खोज

प्रारंभिक परीक्षणों के दौरान एक अजीब घटना यह थी कि कुछ कण अन्य कणों की तुलना में बेहतर तरीके से धातु आयरन में बदलते थे, उनके आकार से कोई संबंध नहीं था, जो अपेक्षाओं के विपरीत था। इसलिए शोधकर्ताओं ने परीक्षण शुरू किया कि क्या कणों की नैनोस्कोपिक संरचना अधिक महत्वपूर्ण कारक हो सकती है।

कार्बन और बैरियम अशुद्धियों वाले माइक्रोमीटर-व्यापी आयरन ऑक्साइड कणों का परीक्षण किया गया और वे पर्याप्त रूप से घट नहीं पाए।

वैकल्पिक रूप से, अधिक पोरोसिटी वाले ढीले कण, और इस प्रकार अधिक सतह क्षेत्र, अधिक कुशल इलेक्ट्रोकेमिकल आयरन उत्पादन को सुविधाजनक बनाते हैं, तुलना में उन कणों से जो कम पोरोस प्राकृतिक आयरन अयस्क हीमैटाइट के समान बनाए गए थे।

स्रोत: ACS Energy Letters

यह संकेत दे सकता है कि केवल कुछ प्रकार का आयरन ही इस प्रक्रिया के लिए उपयुक्त होगा।

“निम्न तापमान पर आयरन धातु में परिवर्तित किए जा सकने वाले ऑक्साइड की पहचान करना स्टील निर्माण के लिए पूरी तरह से विद्युतीकृत प्रक्रियाओं के विकास में एक महत्वपूर्ण कदम है।”
Paul Kempler – प्रमुख शोधकर्ताthe University of Oregon

आयरन इलेक्ट्रोरिडक्शन को प्रतिस्पर्धी बनाना

इस सीमा के बावजूद, आयरन इलेक्ट्रोरिडक्शन आर्थिक दृष्टिकोण से अभी भी काम कर सकता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि यह विधि बहुत कम ऊर्जा और कम तापमान का उपयोग करती है, जिससे आयरन उत्पादन की कुल लागत कम होती है।

इस प्रक्रिया के साथ, आयरन उत्पादन की लागत लगभग $600/टन होगी। यह तुलनात्मक रूप से किफायती है, लेकिन ब्लास्ट फर्नेस/बेसिक ऑक्सीजन फर्नेस प्रक्रिया में निर्मित स्टील की स्तरित लागत, जो हाल ही में लगभग $400/टन अनुमानित की गई है, के मुकाबले पूर्ण नहीं है।

अधिक लाभप्रदता के लिए एक अतिरिक्त कदम आयरन घटाव को रासायनिक उत्पादन के साथ संयोजित करना हो सकता है। आयरन-निर्माण इलेक्ट्रो-सेलों को क्लोरीन उत्पादन सेल्स के साथ मिलाकर एक क्लोरो-आयरन उत्पादन इकाई बनाई जा सकती है, जिसे श्रृंखला में स्थापित करके एक संपूर्ण उत्पादन संयंत्र बनाया जा सकता है।

स्रोत: ACS Energy Letters

Cl2 के उत्पादन को ध्यान में रखते हुए, जो रासायनिक उद्योग द्वारा बड़ी मात्रा में उपयोग किया जाने वाला एक बहुत उपयोगी रसायन है, संचालन की आर्थिक स्थिति बेहतर दिख रही है, जिससे यह ब्लास्ट फर्नेस लागत के बहुत करीब आ रहा है।

और सुधार

सही नैनोस्केल संरचनाओं वाले अयस्क पर ही निर्भर रहने की समस्या यह है कि यह इस प्रौद्योगिकी के व्यापक अपनाने की संभावनाओं को गंभीर रूप से सीमित कर सकता है, भले ही आर्थिक स्थिति अनुकूल हो। कुल मिलाकर, लोहे-खनन उद्योग के पूरे पुनःडिज़ाइन की संभावना, जो कम पोरोसिटी वाले बहुत सारे हीमैटाइट का उत्पादन करता है, वास्तविक नहीं लगती।

एक वैकल्पिक तरीका यह हो सकता है कि आयरन ऑक्साइड फीडस्टॉक्स को अधिक पोरोस बनाने के लिए नई तकनीकों का उपयोग किया जाए, संभवतः बिजली या थर्मल शॉक के प्रयोग से।

आयरन खनन कंपनी

आयरन स्मेल्टिंग लागत और कार्बन उत्सर्जन में कमी से स्टील आज की तुलना में और भी अधिक लोकप्रिय सामग्री बन सकता है। खनन के मामले में, पैमाना और अच्छी भूविज्ञान सब कुछ है, कम उत्पादन लागत अधिक लाभ और मंदी के दौरान सुरक्षा की अनुमति देती है, जो वस्तु बाजारों में अनिवार्य हैं।

ब्राज़ीलियाई कंपनी Vale आयरन और निकेल की दुनिया की सबसे बड़ी उत्पादक है, 2024 में कुल 323-330 मिलियन टन उत्पादन के साथ।

कंपनी तांबा जैसी ऊर्जा परिवर्तन से संबंधित धातुओं की भी उत्पादक है। जबकि ये धातुएँ भविष्य में अधिक महत्वपूर्ण हो सकती हैं, अभी के लिए आयरन कंपनी का मुख्य आधार है।

कंपनी पहले अधिक विविध थी लेकिन हाल के वर्षों में आयरन के आसपास पुनः केंद्रित हुई, और विभिन्न अन्य धातु खानों और पाम तेल जैसी अन्य वस्तुओं से $2 बिलियन का निवेश निकाला।

स्रोत: Vale

विस्तृत संपत्ति आधार

Vale एक मध्यम आकार की उपयोगिता कंपनी के रूप में योग्य है, जो अयस्क को निकासी से ग्राहकों तक ले जाने के लिए अपनी स्वयं की रेलमार्ग, ट्रेन, बंदरगाह और जहाज़ संचालित करती है।

यह अपनी बहुत सारी ऊर्जा भी स्वयं उत्पन्न करता है, क्योंकि यह दूरस्थ क्षेत्रों में संचालित होता है और ब्राज़ीलियाई सरकार पर अपने काम को सही ढंग से करने के लिए निर्भर नहीं रह सकता, विशेष रूप से इसकी विशाल ऊर्जा आवश्यकताओं को देखते हुए।

यह आमतौर पर जलविद्युत से किया जाता था, क्योंकि खनन का व्यवसाय जलविद्युत निर्माण (भू-कार्य, विस्फोटकों से चट्टान खोदना, बड़ी मात्रा में कंक्रीट, भारी मशीनरी, मेगा निर्माण परियोजनाएँ, बारिश का प्रबंधन, आदि) से बहुत अलग नहीं है।

इन बुनियादी ढांचों को कंपनी के अनुसंधान एवं विकास केंद्र, प्रयोगशालाएँ, सैकड़ों भूवैज्ञानिक, प्रशिक्षण केंद्र आदि द्वारा पूरक किया गया है।

भूतकालिक दायित्वों से उबरना

वाले जैसी विशाल खनन कंपनी के साथ एक बड़ा जोखिम एक विशाल दुर्घटना है जो बड़े नुकसान का कारण बनती है।

यह वही हुआ जो 2015 में हुआ, जब वैले द्वारा निर्मित एक बांध के ढहने के बाद एक विशाल आपदा हुई। और फिर 2019 में एक समान घटना हुई।

बाढ़ ने ब्राज़ील की अब तक की सबसे बड़ी पर्यावरणीय आपदा को जन्म दिया, 19 लोगों की मौत और दो राज्यों में 39 नगरपालिकाओं को प्रभावित किया, उन्हें खनन अपशिष्ट में दफ़न कर दिया।

तब से, कई समान बांधों को मरम्मत और/या सुधार किया गया है ताकि बरसात के मौसम में फिर से कोई आपदा न हो।

कंपनी ने अपने संचालन में भी बदलाव किया है, चार फ़िल्ट्रेशन प्लांटों में $2.5 बिलियन निवेश करके सूखे टेलिंग (कुचला हुआ पत्थर, धूल, और कीचड़) बनाया है, बजाय गीले टेलिंग के जो बांधों की आवश्यकता रखते हैं। इसलिए भविष्य में, आयरन खनन गतिविधि अब ऐसी कचरा नहीं उत्पन्न करेगी जिसे बांधों की आवश्यकता हो।

कंपनी अपनी छवि को सक्रिय रूप से सुधार रही है, यह ज़ोर देती है कि उसकी खनन गतिविधि ने कंपनी द्वारा वित्तपोषित एक बड़ा प्राकृतिक आरक्षित क्षेत्र बनाया है, जो ब्राज़ीलियाई वर्षावन को संरक्षित करने में प्रमुख योगदानकर्ता है, जबकि पिछले दशकों में क्षेत्र का बाकी हिस्सा चरागाह में बदल दिया गया है।

स्रोत: Vale

कुल मिलाकर, वैले अब अपने पिछले पर्यावरणीय आपदाओं की समस्याओं से उबर रहा है और ब्राज़ील की सबसे मूल्यवान संपत्तियों में से एक और विश्व, विशेषकर चीन को आयरन का मुख्य आपूर्तिकर्ता बन रहा है, एक ऐसा देश जिसके साथ ब्राज़ील ब्रिक्स वाणिज्यिक नेटवर्क के माध्यम से गहरे संबंध बना रहा है और अमेरिका के साथ बढ़ते टैरिफ़ और तनावों के संदर्भ में।

वाले पर नवीनतम

संदर्भित अध्ययन:

^{1. Anastasiia Konovalovaet al. (2025). विस्तार में इलेक्ट्रोकेमिकल आयरननिर्माण के मार्ग, Fe2O3 की प्रत्यक्ष कमी के माध्यम से. ACS Energy LettersVol 10/Issue 4. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.5c00166}