O que está impedindo o aço sustentável?

A produção de aço é hoje a fonte surpreendente de 8% de todos os gases com efeito de estufa. A maior parte ocorre na conversão de minério de ferro em ferro fundido. Normalmente, isso significa carvão. Por outro lado, o combustível de hidrogénio de queima limpa, que produz apenas água pura como subproduto, representa uma alternativa muito mais sustentável e provavelmente teria sido adoptado há muito tempo se não fosse pelos desafios técnicos que continuam a favorecer o carvão.

Os engenheiros estão ansiosos para mudar esse cálculo. Recentemente, Leora Dresselhaus-Marais, de Stanford, e uma equipe multiinstitucional de colegas revelaram que são as menores partículas em nanoescala do minério de ferro que são a causa desses desafios técnicos. A descoberta, dizem eles, poderia abrir caminho para reatores de “aço verde” baseados em hidrogênio.

“A produção de aço à base de hidrogénio torna-se menos eficiente ao longo do tempo, de uma forma que as centrais a carvão não o fazem, mas ninguém compreendeu exactamente porquê”, diz Dresselhaus-Marais, professor assistente de ciência e engenharia de materiais, sobre o estudar que foi publicado em Anais da Academia Nacional de Ciências (PNAS). “Nosso objetivo aqui era estabelecer os princípios científicos que regem o desempenho dos reatores para melhorar os reatores existentes – ou, potencialmente, imaginar novos e mais limpos reatores de amanhã.”

Graça de barbear

O processo de bigode é bem conhecido, mas não é bem compreendido por inúmeras razões. Nos reatores, sob o alto calor da reação do hidrogênio, explica Dresselhaus-Marais, as nanopartículas que estão sempre presentes nos minérios se automontam para formar estruturas alongadas em forma de bigode que obstruem os reatores e reduzem a eficiência ao longo do tempo. Eventualmente, isso leva à falha do reator que relegou a produção de aço à base de hidrogênio para segundo plano.

Dresselhaus-Marais e equipe resolveram resolver o problema. Eles ilustraram o papel crítico que as nanopartículas desempenham no bigode. Essas pequenas aparas, ou “finos”, como são conhecidas, são predominantes no pó de minério de ferro e são produzidas durante o processamento e transporte do minério, à medida que pelotas maiores de minério de ferro em escala milimétrica se esfregam. As partículas finas podem ser cerca de cem a cem mil vezes menores que o pellet médio.

A fabricação de ferro é um processo de múltiplas etapas em que o minério de ferro (hematita, Fe₂Ó₃) é oxidado primeiro em magnetita (Fe₃Ó₄) e depois para um material intermediário conhecido como wüstite (Fe_1-xO) antes de poder ser refinado em ferro puro (Fe) adequado para a fabricação de aço.

A etapa desafiadora, revela a equipe, é a transição da wüstite para o ferro puro. Os pesquisadores exploraram e descreveram com precisão pela primeira vez como exatamente a wüstite faz a transição para o ferro usando microscopia eletrônica avançada e métodos de espalhamento de raios X.

Simplificando o processo

Estudos anteriores sobre bigodes analisaram apenas pellets em escala milimétrica, ignorando o papel que os finos desempenham no processo de bigode. Mas são precisamente estas partículas mais pequenas que mais importam. Em temperaturas específicas, eles se unem criando bigodes que obstruem os reatores e causam falhas.

“Acontece que o aço é uma das maiores indústrias de nanopartículas existentes”, diz Dresselhaus-Marais. “Esperamos que a indústria possa agora aproveitar as oportunidades da nanoquímica para controlar melhor o processo de redução do hidrogênio e evitar – ou eliminar – bigodes.”

Essas descobertas têm implicações importantes para o futuro do aço verde. Especificamente, Dresselhaus-Marais mostrou que a via de reação é fundamentalmente diferente para nanopartículas e macropartículas, e que bigodes podem ocorrer apenas entre grupos de nanopartículas, mesmo quando não têm macropartículas às quais se agarrar.

“Sugerimos que seria preferencial pular a fase wüstita e passar da magnetita direto para o ferro puro, mas é mais fácil falar do que fazer”, diz ela. “Ainda assim, esses novos insights poderiam abrir a indústria siderúrgica para matérias-primas não convencionais, mas promissoras, possivelmente até mesmo ignorando completamente a pelotização, para projetar e otimizar novos processos de aço verde para o futuro.”