Отработанная футеровка - Spent potlining

Отработанная футеровка (SPL) это отходы, образующиеся в первичном плавка алюминия промышленность. Отработанный лайнер также известен как использованный лайнер и лайнер для использованных ячеек.

Плавка первичного алюминия - это процесс извлечения металлического алюминия из оксид алюминия (также известный как оксид алюминия). Процесс происходит в электролитический ячейки, известные как горшки. Горшки состоят из стальных кожухов с двумя футеровками, внешней изоляционной или огнеупорный подкладка и внутреннее углерод футеровка, которая действует как катод электролитической ячейки. Во время работы ячейки вещества, в том числе алюминий и фториды, абсорбируются оболочкой ячейки. После нескольких лет эксплуатации облицовка горшка выходит из строя и снимается. Удаленный материал - это отработанная футеровка (SPL). SPL был внесен в список Агентство по охране окружающей среды США в 1988 г. как опасные отходы.[1]Опасными свойствами SPL являются:

  • Токсичные фторидные и цианидные соединения, вымываемые водой
  • Коррозийный - демонстрирует высокий pH из-за щелочных металлов и оксидов
  • Реагирует с водой с образованием легковоспламеняющихся, токсичных и взрывоопасных газов.[2]

Токсичный, коррозионный и реактивный характер SPL означает, что необходимо соблюдать особую осторожность при обращении с ним, его транспортировке и хранении.[2] УЗД с катодов алюминиевых ячеек становится одной из основных экологических проблем алюминиевой промышленности. С другой стороны, он также представляет собой большой потенциал восстановления из-за содержания в нем фтора и энергии.[3]

Большая часть SPL в настоящее время хранится на площадках алюминиевых заводов или размещается в свалки. Растворенные фториды и цианиды из SPL, которые помещаются на свалки вместе с другими выщелачивание может иметь воздействие на окружающую среду. Экологически безопасные методы хранения включают безопасные свалки или постоянные складские помещения. Однако многие из экологически безопасных решений дороги и могут привести к непредвиденным проблемам в будущем.[4]

Фон

Производство первичных алюминий металл с Процесс Холла-Эру включает электролитическое восстановление глинозем в ячейках или горшках. В электролит состоит из расплавленного криолит и другие добавки. Электролита содержится в углероде и огнеупорной футеровки в стальной potshell. Горшки обычно имеют срок службы от 2 до 6 лет. В конечном итоге ячейка выходит из строя, и облицовка (SPL) удаляется и заменяется. Произведенные SPL перечислены различными природоохранными органами как опасные отходы.[5] Из-за концентрации фторидов и цианидов в отработанном футляре и тенденции к выщелачиванию при контакте с водой Агентство по охране окружающей среды США (USEPA) включило эти материалы 13 сентября 1988 г. (53 Fed. Reg. 35412) в список опасных отходов ( K088) согласно 40 CFR, часть 261, подраздел D.[6] Международная доставка SPL регулируется протоколами Базельская конвенция о трансграничном перемещении опасных отходов и их удалении.[7] Поскольку органы экологического регулирования во все большем числе стран определяют SPL как опасный материал, затраты на утилизацию могут легко превысить 1000 долларов за тонну SPL.[8]Мировое производство первичного алюминия составляет порядка 40 миллионов тонн. Металлургические заводы мира также производят около миллиона тонн токсичных отходов SPL. Прошлая отраслевая практика заключалась в том, чтобы захоронить эти отходы. Это должно измениться, если алюминиевая промышленность хочет добиться разумной степени устойчивости и экологически приемлемых выбросов.[9] Свалка непрореагировавших SPL считается практикой прошлого.[10]

Промышленность по производству первичного алюминия систематически работает над минимизацией количества производимого SPL, продлевая срок службы футеровки плавильных электролизеров. С 1970-х годов SPL был признан ценным ресурсом для других отраслей промышленности, в том числе в качестве сырья в процессах производства цемента, минеральной ваты и стали. Международный институт алюминия определил следующее «Добровольная цель Международного института алюминия в области SPL

  • Алюминиевая промышленность осознает, что отработанная футеровка электролизера обладает свойствами, которые делают ее ценным материалом для использования в других процессах, и поэтому будет стремиться преобразовать всю отработанную футеровку электролизера в сырье для других отраслей, включая цемент, сталь, минеральную вату и строительный заполнитель. компании или повторно использовать и / или обрабатывать все SPL на своих собственных объектах.
  • В ожидании окончательного осаждения промышленность будет стремиться хранить всю отработанную футеровку электролизера в надежных, водонепроницаемых, вентилируемых зданиях / контейнерах, которые будут поддерживать отработанную футеровку электролизера в сухом состоянии без возможности накопления вредных газов ».[11]

Химические свойства SPL

Состав SPL варьируется в зависимости от таких факторов, как тип используемой технологии плавки алюминия, начальные компоненты футеровки электролизера и процедуры демонтажа. Ориентировочный состав SPL для трех различных технологий показан в следующей таблице.[2]

Состав отработанной футеровки для различных технологий плавки[2]
КомпонентТехнология типа АТип технологии BSöderberg TechnologyОсновные фазы
Фториды (мас.%)10.915.518.0Na3AlF6, NaF, CaF2
Цианиды (ppm)68044801040NaCN, NaFe (CN)6
Общий алюминий (мас.%)13.611.012.5Al2О3, NaAl11О17
Углерод (мас.%)50.245.538.4Графитовый
Натрий (мас.%)12.516.314.3Na3AlF6, Наф
Алюминий металлический (мас.%)1.01.01.9Металл
Кальций (мас.%)1.32.42.4CaF2
Железо (мас.%)2.93.14.3Fe2О3
Литий0.030.030.6Ли3AlF6, LiF
Титан (мас.%)0.230.240.15TiB2
Магний (мас.%)0.230.090.2Пример

SPL опасен из-за:

  • Токсичность от фторидных и цианидных соединений, вымываемых в воде
  • Коррозийный - демонстрирует высокий pH из-за щелочных металлов и оксидов
  • Реагирует с водой с образованием горючих, токсичных и взрывоопасных газов.[2]

Примером возможных последствий реакции SPL с водой является смерть двух рабочих и заявленные убытки в размере 30 миллионов долларов из-за взрыва горючих газов из SPL в трюме грузового судна.[12]

Выщелачиваемые фториды в SPL поступают из криолит (Na3AlF6) и фторид натрия (NaF), которые используются в качестве флюса в процессе плавки.

Цианид соединения образуются в облицовке горшков, когда азот из воздуха вступает в реакцию с другими веществами. Например, азот реагирует с натрием и углеродом по уравнению -

1.5N2 + 3Na + 3C → 3NaCN.[13]

Карбид алюминия образуется в футеровке в результате реакции металлического алюминия и углерода в соответствии с уравнением -

4Al + 3C → Al4C3.[14]

Нитрид алюминия образуется в результате ряда реакций, включая реакцию криолита с азотом и натрием в соответствии с уравнением -

Na3AlF6 + 0,5N2 + 3Na → AlN + 6NaF[15]

Газы образуются в результате реакции воды с такими соединениями, как неокисленный металлический алюминий, неокисленный металлический натрий, карбид алюминия и нитрид алюминия. Типичные газы от реакции SPL с водой:

  • Водород из металлического алюминия и воды - 2Al + 3H20 → 3Н2 + Al2О3
  • Водород из металлического натрия и воды - 2Na + 2H20 → H2 + 2NaOH
  • Метан из карбида алюминия и воды - Al4C3 + 6H20 → 3 канала4 + 2Al2О3
  • Аммиак из нитрида алюминия и воды - 2AlN + 3H20 → 2NH3 + Al2О3п[16]

Токсичность SPL

Ряд исследований [17][18][19][20] включены биологические тесты для оценки токсичности SPL для растений и людей. Соли алюминия, цианида и фторида были определены как основные токсичные агенты в SPL. В генотоксичный потенциал SPL и его основных химических компонентов оценивали на растительных клетках и клетках человека. Наблюдаемые эффекты на вегетативные клетки включали снижение митотический индекс и увеличение частоты хромосома переделки. Фтор был основным генотоксичный компонент для человека лейкоциты.

Наблюдаемые эффекты, вызванные SPL, свидетельствуют о его мутагенный потенциал для клеток растений и животных, подтверждающий его вредное воздействие на окружающую среду и человека.

Исследования постоянно рекомендуют, чтобы меры по обращению с SPL и надлежащая утилизация SPL были чрезвычайно важны и необходимы, чтобы избежать его распространения в окружающую среду, и чтобы хранение и утилизация SPL находились под пристальным наблюдением, чтобы снизить риск.

Проблемы с Landfilling SPL

Прошлая практика обращения с отработанной футеровкой (SPL) включает сброс в реки или море, хранение на открытых свалках или захоронение. Эти методы неприемлемы с экологической точки зрения из-за выщелачивания цианидов и фторидов. Совсем недавно SPL хранился на безопасных свалках, где его помещали на непроницаемое основание и закрывали непроницаемым колпачком.[5] Объем доступной подробной информации о качестве перколята с существующих полигонов СПЛ очень ограничен.[21]

Исследование 2004 года свалки, содержащей SPL, расположенной в Северной Америке, выявило четыре химических вещества в качестве приоритетных загрязнителей: цианид, фторид, железо и алюминий. Оценка жизненного цикла моделирование переноса грунтовых вод использовалось для обеспечения понимания ситуации с выявлением экологических проблем и значительного потенциального экотоксилологического воздействия. Исследование показало, что, хотя предположения о том, что локализация почвы и отходов считалась идеальной, на самом деле эти участки могли сами стать источниками загрязнения. В исследовании утверждается, что наиболее выгодным вариантом является полное уничтожение фракции SPL, если принимаются во внимание опасения по поводу качества долгосрочного удержания.[22] Основное возражение против использования закрытого типа захоронения заключается в том, что за ним нужно будет постоянно следить. Таким образом, существует реальная необходимость найти безопасные и приемлемые альтернативные способы захоронения отходов.[23]

SPL был сброшен предыдущими владельцами в необлицованный могильник для отходов на медеплавильном заводе Kurri Kurri в Австралии, что привело к загрязнению местного водоносного горизонта подземных вод высоким содержанием фторида, цианида, сульфата и хлорида натрия.[24]

Промежуточное действие, проводимое в соответствии с Согласованным приказом № DE-5698 между портом Такома и Департаментом экологии штата Вашингтон, направлено на удаление путем выемки грунта и захоронения за пределами площадки материала зоны SPL и связанной с ним загрязненной почвы на территории старого алюминиевого завода. В основе этой ситуации лежит то, что с 1941 по 1947 год Министерство обороны США построило и эксплуатировало алюминиевый завод на этом участке. В 1947 году Kaiser Aluminium & Chemical Corporation (Kaiser Aluminium) приобрела участок и эксплуатировала предприятие по производству алюминия до 2001 года. В 2002 году Kaiser Aluminium закрыла завод, а в 2003 году порт Такома выкупил завод у Kaiser Aluminium для реконструкции. .[25]

Варианты лечения SPL

Предложен ряд альтернатив для лечения SPL. Альтернативы можно классифицировать следующим образом:

  • методы утилизации, когда все или часть SPL уничтожается или используется в другой отрасли, включая:
    • сжигание для выработка энергии
    • добавки к шлаку в черной металлургии
    • топливно-минеральная добавка в цемент производство
    • промышленность красного кирпича
    • перевод на инертные свалки
  • методы восстановления или рециркуляции, при которых часть SPL может быть восстановлена ​​для использования при выплавке первичного алюминия:
    • извлечение фторидов из процессов выщелачивания
    • пирогидролиз
    • пиросульфолиз
    • силикопирогидролиз
    • графит восстановление
    • катодные углеродные добавки
    • анодные углеродные добавки
    • селективное восстановление металлического алюминия.[26]

Переработка в других отраслях - привлекательный и проверенный вариант; однако отнесение SPL к опасным отходам сильно оттолкнуло другие отрасли от использования SPL из-за обременительных и дорогостоящих экологических норм.[6][16] Комиссия по контролю за загрязнением и экологии штата Арканзас отметила, что обработанный SPL, использованный для строительства дорог, был восстановлен и помещен на безопасную свалку.[27]

Рекомендации

  1. ^ Рустад, я; Kastensen, K.H .; Одегард, К. (2000). Уолли, Г. (ред.). «Варианты утилизации отработанной футеровки». Отходы в строительстве: 617.
  2. ^ а б c d е Holywell, G; Бро, Р. (2013). «Обзор полезных методов обработки, восстановления или повторного использования отработанной футеровки». Общество минералов, металлов и материалов. 65 (11): 1442. Bibcode:2013JOM .... 65k1441H. Дои:10.1007 / s11837-013-0769-у.
  3. ^ Сорли, М; Эйе, Х.А. (2010). Катоды в электролизе алюминия. Дюссельдорф: Маркетинг и связь Алюминий-Верлаг. п. 589.
  4. ^ Сорли, М; Эйе, Х.А. (2010). Катоды в электролизе алюминия. Дюссельдорф: Маркетинг и связь Алюминий-Верлаг. С. 592–593.
  5. ^ а б Понг, Т.К .; Adrien, R.J .; Besdia, J .; O'Donnell, T.A .; Вуд, Д. (Май 2000 г.). «Отработанная футеровка - безопасные отходы». Технологическая безопасность и охрана окружающей среды. 78 (3): 204–208. Дои:10.1205/095758200530646.
  6. ^ а б Silveira, B.I .; Danta, A.E .; Blasquez, A.E .; Сантос, Р.К.П. (Май 2002 г.). «Характеристика неорганической фракции отработанных футеровок: оценка содержания цианидов и фторидов». Журнал опасных материалов. B89 (2–3): 178. Дои:10.1016 / с0304-3894 (01) 00303-х. PMID  11744203.
  7. ^ Holywell, G .; Бро, Р. (2013). «Обзор полезных методов обработки, восстановления или повторного использования отработанной футеровки». Общество минералов, металлов и материалов. 65 (11): 1443. Bibcode:2013JOM .... 65k1441H. Дои:10.1007 / s11837-013-0769-у.
  8. ^ Сорли, М; Эйе, Х.А. (2010). Катоды в электролизе алюминия. Дюссельдорф: Маркетинг и связь Алюминий-Верлаг. п. 171.
  9. ^ Павлек, Р.П. (2012). C.E., Суарес (ред.). «Отработанный потлайнинг: обновление». Легкие металлы. Общество минералов, металлов и материалов: 1313.
  10. ^ Сорли, М; Эйе, Х.А. (2010). Катоды в электролизе алюминия. Дюссельдорф: Маркетинг и связь Алюминий-Верлаг. п. 631.
  11. ^ «Сравнительный анализ алюминиевой промышленности 2010» (PDF). Международный институт алюминия. Новозеландский дом, Хеймаркет, Лондон, Великобритания. п. 11. Проверено 2014. Проверить значения даты в: | accessdate = (помощь)
  12. ^ «Горючий газ вызывает взрыв». Клуб судовладельцев. стр. 18–19. Проверено 2014. Проверить значения даты в: | accessdate = (помощь)
  13. ^ Сорли, М; Эйе, Х.А. (2010). Катоды в электролизе алюминия. Дюссельдорф: Маркетинг и связь Алюминий-Верлаг. С. 222, 234.
  14. ^ Сорли, М; Эйе, Х.А. (2010). Катоды в электролизе алюминия. Дюссельдорф: Маркетинг и связь Алюминий-Верлаг. п. 189.
  15. ^ Сорли, М; Эйе, Х.А. (2010). Катоды в электролизе алюминия. Дюссельдорф: Маркетинг и связь Алюминий-Верлаг. п. 222.
  16. ^ а б Сорли, М; Эйе, Х.А. (2010). Катоды в электролизе алюминия. Дюссельдорф: Маркетинг и связь Алюминий-Верлаг. п. 593.
  17. ^ Андраде-Виейра, Л.Ф .; Palmieri, M.J .; Тренто, М. В. К. (2017). «Влияние длительного воздействия отработанного потлинера на семена, кончики корней и меристематические клетки Allium cepa». Окружающая среда и оценка: 489.
  18. ^ Palmieri, M.J .; Андраде-Виерия, Л.Ф .; Davide, L.F .; de Faria, Eleutério, M.W .; Любер, Дж .; Davide, L.C .; Маркусси, С. (2016). «Цитогенотоксическое действие отработанного лайнера (SPL) и его основных компонентов на лейкоциты человека и меристематические клетки Allium cepa». Загрязнение воды, воздуха и почвы. 227 (5): 156. Bibcode:2016WASP..227..156P. Дои:10.1007 / s11270-016-2809-z.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  19. ^ Palmieri, M.J .; Андраде-Виерия, Л.Ф .; Кампос, Дж. М. С .; Gedraite, L. S .; Давиде, Л. С. (2016). «Цитотоксичность использованного лайнера для клеток кончика корня Allium cepa: сравнительный анализ в меристематике». Экотоксикология и экологическая безопасность: 442–447. Дои:10.1016 / j.ecoenv.2016.07.016.
  20. ^ Palmieri, M.J .; Андраде-Виерия, Л.Ф .; Давиде, Л. С. (2014). «Цитотоксическое и фитотоксическое действие основных химических компонентов отработанной лайнера: сравнительный подход». Мутационные исследования. 763: 30–35. Дои:10.1016 / j.mrgentox.2013.12.008.
  21. ^ Рустад, я; Kastensen, K.H .; Одегард, К. (2000). Уолли, Г. (ред.). «Варианты утилизации отработанной футеровки». Отходы в строительстве: 621.
  22. ^ Годин, Дж; Ménard, J-F .; Hains, S .; Deschênes, L .; Самсон, Р. «Комбинированное использование оценки жизненного цикла и моделирования переноса подземных вод для поддержки управления загрязненными участками». Оценка рисков для человека и окружающей среды (10): 1100, 1101, 1114.
  23. ^ Кумар, Б; Сен, П. К .; Синг, Г. (1992). «Экологические аспекты отработанной футеровки электролизеров алюминиевых заводов и ее утилизации - оценка». Индийский журнал защиты окружающей среды. 12 (8): 596.
  24. ^ Тернер, Б.Д .; Биннинг, П.Дж .; Слоан, С. (Январь 2008 г.). «Проницаемый для кальцита барьер для восстановления фторида из грунтовых вод, загрязненных отработавшим лайнером (SPL)». Журнал гидрологии сдерживания. 95: 111. Дои:10.1016 / j.jconhyd.2007.08.002. PMID  17913284.
  25. ^ «Окончательный план промежуточных действий в зоне SPL для бывшей собственности Kaiser Aluminium 3400, Taylor Way Tacoma, Washington». Вашингтонское управление экологии. стр. 1–2. Проверено 2014. Проверить значения даты в: | accessdate = (помощь)
  26. ^ Сорли, М; Эйе, Х.А. (2010). Катоды в электролизе алюминия. Дюссельдорф: Маркетинг и связь Алюминий-Верлаг. С. 594, 595.
  27. ^ "Reynolds Metals Company Gum Springs and Hurricane Creek" (PDF). Комиссия по контролю за загрязнением и экологии Арканзаса. п. 3.

Библиография

Андраде-Виейра Л.Ф., Пальмиери М.Дж. и Давиде Л.Ф. (2017), Влияние длительного воздействия отработанного потлинера на семена, кончики корней и меристематические клетки Allium cepa, Экологический мониторинг и оценка, 189: 489

Комиссия по контролю за загрязнением и экологии Арканзаса (1998 г.), Тема: Reynolds Metals Company Gum Springs и Hurricane Creek. Минутный заказ 98-28

Холивелл, Г. и Бро, Р. (2013). Обзор полезных методов обработки, восстановления или повторного использования отработанной футеровки. JOM, Vol. 65, № 11, Общество минералов, металлов и материалов

Международный институт алюминия (2010 г.). Сравнительный анализ алюминиевой промышленности 2010. Международный институт алюминия, дом Новой Зеландии, Хеймаркет, Лондон, Великобритания.

Годин, Дж., Менар, Дж. Ф., Хейнс, С., Дешен, Л. и Самсон, Р. (2004). Совместное использование оценки жизненного цикла и моделирования переноса грунтовых вод для поддержки управления загрязненными участками. Оценка рисков для человека и окружающей среды, 10: 1099-1116.

Кумар, Б., Сен, П. К. и Синг, Г. (1992). Экологические аспекты отработанной футеровки электролизеров алюминиевых заводов и ее утилизации - оценка, Индийский журнал защиты окружающей среды, Vol. 12, № 8.

Пальмиери, М. Дж., Андраде-Виейра, Л. Ф., Тренто, М. В. К., де Фариа, Элевтерио, М. В., Любер, Дж., Давиде, Л. К., и Маркусси, С. (2016). Цитогенотоксическое действие отработанного лайнера (SPL) и его основных компонентов на лейкоциты человека и меристематические клетки Allium cepa. Загрязнение воды, воздуха и почвы, 227 (5), 1–10.

Пальмиери, М. Дж., Андраде-Виейра, Л. Ф., Кампос, Дж. М. С., Гедрайте, Л. С., и Давиде, Л. К. (2016). Цитотоксичность использованного лайнера на клетках кончика корня Allium cepa: сравнительный анализ меристематического типа клеток в биотестах токсичности, Ecotoxicology and Environmental Safety, 133, 442–447.

Пальмиери, М. Дж., Любер, Дж., Андраде-Виейра, Л. Ф., и Давид, Л. К. (2014). Цитотоксические и фитотоксические эффекты основных химических компонентов отработанной емкости для горшков: сравнительный подход, Mutation Research, 763, 30–35.

Павлек, Р.П. (2012). Отработанная облицовка: обновление. В Суарес К. Э. (редактор). Легкие металлы. Общество минералов, металлов и материалов.

Понг, Т.К., Адриан, Р.Дж., Бесдиа, Дж., О’Доннелл, Т.А. и Вуд, Д. Г. (2000). Отработанная футеровка - безопасные отходы. Труды Института инженеров-химиков, том 78, часть B, май 2000 г.

Рустад И., Кастенсен К. и Ødegård, K.E. (2000). Варианты утилизации отработанной футеровки. В Wolley, G.R., Goumans, J.J.J.M. и Уэйнрайт, П. Дж. (редакторы). Отходы в строительстве.

Клуб судовладельцев (2010). Воспламеняющийся газ вызывает взрыв, в тематических исследованиях предотвращения потерь, The Shipowners ’Protection Limited, 2010 г. http://www.shipownersclub.com/media/433198/spl_ebook_021010.pdf

Сильвейра Б.И., Данта А.Е., Бласкес А.Э. и Сантос Р.К.П. (2002). Характеристика неорганической фракции отработанных лайнеров: оценка содержания цианидов и фторидов. Журнал опасных материалов B89 177–183.

Сорли М. и Эйе Х. А. (2010). Катоды в электролизе алюминия. Алюминий-Верлаг Маркетинг и Коммуникации, Дюссельдорф.

Тернер, Б.Д., Биннинг, П.Дж., Слоан, С.В. (2008). Проницаемый для кальцита барьер для восстановления фторида из грунтовых вод, загрязненных отработавшим фильтром (SPL). Журнал гидрологии сдерживания 95110-120

Департамент экологии Вашингтона (2013 г.). Промежуточный план действий по окончательной зоне SPL Бывшее владение Kaiser Aluminium 3400 Taylor Way Tacoma, Вашингтон. Подготовлено для порта Такома, штат Вашингтон, штат Вашингтон, компанией Landau & Associates, Эдмондс, Вашингтон. Получено с веб-сайта Департамента экологии. https://fortress.wa.gov/ecy/gsp/CleanupSiteDocuments.aspx?csid=2215

внешняя ссылка