Tillbringade pottfoder

Spent Potlining (SPL) är ett avfallsmaterial som genereras i den primära aluminiumsmältindustrin . Spent Potlining är också känd som Spent Potliner och Spent Cell Liner.

Primär aluminiumsmältning är processen att extrahera aluminiummetall från aluminiumoxid (även känd som aluminiumoxid). Processen äger rum i elektrolytiska celler som kallas krukor. Krukorna är uppbyggda av stålskal med två foder, ett yttre isolerande eller eldfast foder och ett inre kolfoder som fungerar som elektrolyscellens katod. Under driften av cellen absorberas ämnen, inklusive aluminium och fluorider, i cellfodret. Efter några års drift går krukans foder sönder och tas bort. Det borttagna materialet är förbrukad pottlining (SPL). SPL listades av United States Environmental Protection Agency 1988 som ett farligt avfall. Farliga egenskaper hos SPL är:

Giftiga fluor- och cyanidföreningar som är lakbara i vatten
Frätande - uppvisar högt pH på grund av alkalimetaller och oxider
Reaktiv med vatten - producerar brandfarliga, giftiga och explosiva gaser.

SPL:s giftiga, frätande och reaktiva karaktär innebär att särskild försiktighet måste iakttas vid hantering, transport och lagring. SPL från katoder med aluminiumreduktionsceller håller på att bli en av aluminiumindustrins största miljöproblem. Å andra sidan representerar den också en stor återvinningspotential på grund av dess fluor- och energiinnehåll.

Merparten av SPL lagras för närvarande vid aluminiumsmältverksanläggningarna eller placeras på deponier . Upplösta fluorider och cyanider från SPL som läggs på deponier kan tillsammans med andra lakvatten ha miljöpåverkan. Miljösäkra lagringsmetoder inkluderar säkra deponier eller permanenta lagringsbyggnader. Många av de miljösäkra lösningarna är dock dyra och kan utveckla oförutsedda problem i framtiden.

Bakgrund

Produktion av primär aluminiummetall med Hall–Héroult-processen innebär elektrolytisk reduktion av aluminiumoxid i celler eller krukor. Elektrolyten består av smält kryolit och andra tillsatser . Elektrolyten finns i ett kol och eldfast foder i ett stålgrytskal. Krukorna har vanligtvis en livslängd på 2 till 6 år. Så småningom misslyckas cellen och pottlining (SPL) tas bort och ersätts. Den SPL som genereras listas av olika miljöorgan som farligt avfall. På grund av koncentrationerna av fluorider och cyanider i förbrukad kruka och tendensen att läcka ut i kontakt med vatten, listade US Environmental Protection Agency (USEPA) materialen den 13 september 1988 (53 Fed. Reg. 35412) som farligt avfall ( K088) enligt 40 CFR, del 261, kapitel D. Internationell transport av SPL omfattas av protokollen i Baselkonventionen om gränsöverskridande transporter av farligt avfall och bortskaffande av dem. Eftersom miljöregleringsmyndigheterna i ett ökande antal länder definierar SPL som ett farligt material, kan kostnaderna för bortskaffande lätt uppgå till mer än 1 000 USD per ton SPL. Världsproduktionen av primäraluminium var 67 miljoner ton 2021. Världens aluminiumsmältverk producerar också cirka 1,6 miljoner ton giftigt SPL-avfall. Tidigare branschpraxis har varit att deponera detta avfall. Detta måste ändras om aluminiumindustrin vill hävda en rimlig grad av hållbarhet och miljömässigt acceptabla utsläpp. Deponering av oreagerad SPL anses vara en praxis från det förflutna.

Kemiska egenskaper hos SPL

Det finns variationer i sammansättningen av SPL beroende på sådana faktorer som typen av aluminiumsmältningsteknik som används, de initiala komponenterna i cellfodringen och demonteringsprocedurer. Vägledande sammansättning av SPL för tre olika teknologier visas i följande tabell.

Förbrukad gjutningskomposition för olika smältningstekniker
Komponent	Teknik typ A	Teknik typ B	Söderberg Teknik	Stora faser
Fluorer (vikt-%)	10.9	15.5	18,0	Na3AlF6 _, NaF , _CaF2_{_}
Cyanider (ppm)	680	4480	1040	NaCN, NaFe(CN) ₆
Aluminium totalt (vikt%)	13.6	11.0	12.5	Al2O3 , NaAl11017 _{_}_{_}_{_} _ _{_}
Kol (vikt%)	50,2	45,5	38,4	Grafit
Natrium (vikt-%)	12.5	16.3	14.3	Na3AlF6 _, Naf _{_} _
Aluminiummetall (vikt-%)	1.0	1.0	1.9	Metall
Kalcium (vikt%)	1.3	2.4	2.4	CaF ₂
Järn (vikt-%)	2.9	3.1	4.3	Fe ₂ O ₃
Litium	0,03	0,03	0,6	Li3AlF6 _, LiF _{_} _
Titan (vikt %)	0,23	0,24	0,15	TiB ₂
Magnesium (vikt%)	0,23	0,09	0,2	Exempel

SPL är farligt på grund av:

Toxicitet från fluor och cyanidföreningar som är lakbara i vatten
Frätande - uppvisar högt pH på grund av alkalimetaller och oxider
Reagerar med vatten på ett sätt som producerar brandfarliga, giftiga och explosiva gaser.

Ett exempel på de potentiella konsekvenserna av SPL-reaktion med vatten är två arbetares död och rapporterade skadekostnader på 30 miljoner dollar på grund av en explosion av brandfarliga gaser från SPL i lastfartygets lastrum.

De lakbara fluoriderna i SPL kommer från kryoliten (Na ₃ AlF ₆ ) och natriumfluorid (NaF) som används som flussmedel i smältningsprocessen.

Cyanidföreningar bildas i krukfodret när kväve från luft reagerar med andra ämnen. Till exempel, kväve som reagerar med natrium och kol enligt ekvationen -

1,5N2 + 3Na + 3C → 3NaCN _.

Aluminiumkarbid bildas i potten genom reaktionen mellan aluminiummetall och kol enligt ekvationen –

4Al + 3C _→_Al4C3 .

Aluminiumnitrid bildas från ett antal reaktioner inklusive reaktionen av kryolit med kväve och natrium enligt ekvationen -

Na3AlF6 ₊ 0,5N2 + 3Na → _AlN₊ 6NaF

Gaser genereras från reaktioner mellan vatten och föreningar som ooxiderad aluminiummetall, ooxiderad natriummetall, aluminiumkarbid och aluminiumnitrid. Typiska gaser från reaktionen mellan SPL och vatten är:

Väte från aluminiummetall och vatten – 2Al + 3H ₂ 0 → 3H ₂ + Al ₂ O ₃
Väte från natriummetall och vatten – 2Na + 2H ₂ 0 → H ₂ + 2NaOH
Metan från aluminiumkarbid och vatten - Al ₄ C ₃ + 6H ₂ 0 → 3CH ₄ + 2Al ₂ O ₃
Ammoniak från aluminiumnitrid och vatten – 2AlN + 3H ₂ 0 → 2NH ₃ + Al ₂ O ₃ n

Toxicitet för SPL

Ett antal forskningsstudier inkluderade biologiska tester för att utvärdera toxiciteten av SPL på växter och människor. Aluminium-, cyanid- och fluoridsalter identifierades som de viktigaste giftiga medlen i SPL. Den genotoxiska potentialen hos SPL och dess huvudsakliga kemiska komponenter utvärderades på vegetabiliska och mänskliga celler. Observerade effekter på vegetabiliska celler inkluderade minskning av mitotiskt index och en ökning av frekvensen av kromosomförändringar . Fluor var den huvudsakliga genotoxiska komponenten för humana leukocyter .

De observerade effekterna som induceras av SPL tyder på dess mutagena potential på växt- och djurceller, vilket bekräftar dess skadlighet för miljön och människor.

Studierna rekommenderar konsekvent att hanteringsåtgärder och lämpligt omhändertagande av SPL är oerhört viktigt och oumbärligt för att undvika spridning till miljön och att lagring och bortskaffande av SPL bör övervakas noggrant för att minska risken.

Problem med Deponi SPL

Tidigare praxis för att hantera Spent Potlining (SPL) inkluderar att dumpa det i floder eller i havet eller att lagra det på öppna soptippar eller deponier. Dessa metoder är inte miljömässigt acceptabla på grund av läckbarheten av cyanider och fluorider. På senare tid har SPL förvarats i säkra deponier där den placerats på en ogenomtränglig bas och täckt med ett ogenomträngligt lock. Mängden detaljerad information om kvaliteten på perkolat från befintliga SPL-deponier är mycket begränsad.

Ett särskilt problem med SPL i deponier är de långsiktiga skulderna som är ett resultat av begränsad effektiv livslängd för deponier baserat på nuvarande teknologi jämfört med de långlivade förorenande egenskaperna hos SPL.

Lee och Jones-Lee beskriver utvecklingen och de tekniska aspekterna av deponering av "torrgravar" och varför de anser att det är en allvarligt felaktig teknik med hänvisning till problem som:

eventuellt fel på kompositfodersystem
fel på täcksystem för att förhindra inträngning av vatten
låg sannolikhet för grundvattenövervakningssystem för att upptäcka förorenat lakvatten
otillräckliga arrangemang för finansiering och förvaltning efter stängningen.

En studie från 2004 av en deponi som innehåller SPL i Nordamerika identifierade fyra kemiska arter som prioriterade föroreningar: cyanid, fluorid, järn och aluminium. Livscykelanalys och grundvattentransportmodellering användes för att ge en förståelse av situationen och identifiera miljöfrågor och betydande ekotoxilogiska potentiella effekter. Studien observerade att även om antaganden om att inneslutningen av jord och avfall antogs vara perfekt, kan dessa platser i själva verket bli källor till förorening. Studien konstaterar att det mest fördelaktiga alternativet är den totala förstörelsen av SPL-fraktionen om man överväger oro för kvaliteten på långtidsfängelse. Den största invändningen mot den förseglade typen av bortskaffande är att den kommer att behöva övervakas på obestämd tid. Det finns därför ett verkligt behov av att hitta säkra, acceptabla alternativa sätt att deponera.

SPL dumpades av tidigare ägare i ett ofodrat avfallsförvar vid Kurri Kurri-smältverket i Australien, vilket resulterade i förorening av den lokala grundvattenakvifären med höga halter av fluorid, cyanid, natriumsulfat och klorid.

En interimistisk åtgärd genomförd enligt överenskommen order nr. DE-5698 mellan hamnen i Tacoma och Washington State Department of Ecology tar upp avlägsnandet, genom utgrävning och bortskaffande utanför anläggningen, av SPL-zonmaterial och tillhörande förorenad jord vid en gammal aluminiumsmältverksplats. Bakgrunden till denna situation är att det amerikanska försvarsdepartementet från 1941 till 1947 byggde och drev ett aluminiumsmältverk på platsen. 1947 köpte Kaiser Aluminum & Chemical Corporation (Kaiser Aluminium) platsen och drev aluminiumproduktionsanläggningen fram till 2001. 2002 stängde Kaiser Aluminium anläggningen och 2003 köpte hamnen i Tacoma smältverksfastigheten av Kaiser Aluminium för ombyggnad .

SPL-behandlingsalternativ

Ett antal alternativ har föreslagits för behandling av SPL. Alternativen kan klassificeras enligt följande:

avfallshanteringstekniker där hela eller delar av SPL förstörs eller används av en annan industri inklusive:
- förbränning för elproduktion
- slaggtillsatser inom järn- och stålindustrin
- bränsle och mineraltillskott vid cementtillverkning
- rött tegelindustri
- omvandling till inerta deponier
återvinnings- eller återvinningstekniker där en del av SPL kan återvinnas för användning vid smältning av primäraluminium:
- fluoridåtervinning från lakningsprocesser
- pyrohydrolys
- pyrosulfolys
- silikopyrohydrolys
- grafitåtervinning _
- katodkoltillsatser
- anodkoltillsatser
- selektiv återvinning av aluminiummetall.

Återvinning genom andra industrier är ett attraktivt och beprövat alternativ; klassificeringen av SPL som farligt avfall har dock kraftigt avskräckt andra industrier från att använda SPL, på grund av de betungande och dyra miljöbestämmelserna. Arkansas Pollution Control and Ecology Commission noterade att behandlad SPL som användes för att bygga vägar återvanns och placerades på säker deponi.

Bibliografi

Andrade-Vieira, LF, Palmieri, MJ & Davide, LF (2017), Effekter av lång exponering för förbrukad kruka på frön, rotspetsar och meristematiska celler av Allium cepa, Miljöövervakning och bedömning, 189:489

Arkansas Pollution Control and Ecology Commission (1998), Ämne: Reynolds Metals Company Gum Springs och Hurricane Creek . Minuteorder 98-28

Holywell, G. och Breault, R. (2013). En översikt över användbara metoder för att behandla, återvinna eller återvinna förbrukad kruka . JOM, vol. 65, nr 11.

International Aluminium Institute (2010). Benchmarking för aluminiumindustrin 2010 . International Aluminium Institute, New Zealand House, Haymarket, London, Storbritannien.

Godin, J., Ménard, JF., Hains, S., Deschênes, L. och Samson, R. (2004). Kombinerad användning av livscykelanalys och modellering av grundvattentransporter för att stödja hantering av förorenade platser . Mänsklig och ekologisk riskbedömning, 10:1099-1116.

Kumar, B., Sen, PK och Sing, G. (1992). Miljöaspekter av förbrukade kärlfoder från aluminiumsmältverk och dess bortskaffande – An Appraisal , Indian Journal of Environmental Protection, Vol. 12, nr 8.

Palmieri, MJ, Andrade-Vieira, LF, Trento, MVC, de Faria, Eleutério, MW, Luber, J., Davide, LC, & Marcussi, S. (2016). Cytogenotoxiska effekter av förbrukad pottliner (SPL) och dess huvudkomponenter på humana leukocyter och meristematiska celler av Allium cepa. Vatten-, luft- och markföroreningar, 227(5), 1–10.

Palmieri, MJ, Andrade-Vieira, LF, Campos, JMS, Gedraite, LS, & Davide, LC (2016). Cytotoxicitet för förbrukad krukfoder på Allium cepa rotspetsceller: en jämförande analys i meristematisk celltyp på toxicitetsbioanalyser, Ekotoxikologi och miljösäkerhet, 133, 442–447.

Palmieri, MJ, Luber, J., Andrade-Vieira, LF, & Davide, LC (2014). Cytotoxiska och fytotoxiska effekter av de huvudsakliga kemiska komponenterna i förbrukad pott-liner: a comparative approach, Mutation Research, 763, 30–35.

Pawlek, RP (2012). Spend potlining: en uppdatering . I Suarez CE (redaktör). Lättmetaller. Minerals, Metals and Materials Society.

Pong, TK, Adrien, RJ, Besdia, J., O'Donnell, TA och Wood, DG (2000). Förbrukad gryta – ett farligt avfall som är säkert . Transactions of the Institute of Chemical Engineers, Vol 78 Part B, maj 2000

Rustad, I., Kastensen, KH och Ødegård, KE (2000). Avfallshanteringsmöjligheter för förbrukad gryta. I Wolley, GR, Goumans, JJJM och Wainwright, PJ (redaktörer). Avfallsmaterial i konstruktion.

Shipowners Club (2010). Brandfarlig gas orsakar explosion , i fallstudier för förebyggande av förluster, The Shipowners' Protection Limited, 2010http://www.shipownersclub.com/media/433198/spl_ebook_021010.pdf

Silveira, BI, Danta, AE, Blasquez, AE och Santos, RKP (2002). Karakterisering av oorganisk fraktion av förbrukade pottliners: Utvärdering av innehållet av cyanider och fluorider . Journal of Hazardous Materials B89 177–183.

Sørlie, M. och Øye, HA (2010). Katoder i aluminiumelektrolys . Aluminium-Verlag Marknadsföring och Kommunikation, Düsseldorf.

Turner, BD, Binning, PJ och Sloan, SW (2008). En kalcitpermeabel barriär för sanering av fluor från förorenat grundvatten (SPL) . Journal of Containment Hydrology 95 110-120

Washington Department of Ecology (2013). Final SPL Area Interim Action Work Plan Tidigare Kaiser Aluminium Property 3400 Taylor Way Tacoma, Washington . Förberedd för Port of Tacoma, Tacoma Washington av Landau & Associates, Edmonds, WA. Hämtad från Institutionen för ekologis webbplats https://fortress.wa.gov/ecy/gsp/CleanupSiteDocuments.aspx?csid=2215