stringtranslate.com

Красный шлам

Красный шлам около Штаде ( Германия )
Боксит , алюминиевая руда ( департамент Эро , Франция ). Красноватый цвет обусловлен оксидами железа , составляющими основную часть красного шлама.

Красный шлам , который сейчас чаще называют бокситовым остатком , представляет собой промышленные отходы, образующиеся при переработке бокситов в глинозем с использованием процесса Байера . Он состоит из различных оксидных соединений, включая оксиды железа, которые придают ему красный цвет. Более 97% глинозема, производимого в мире, производится с использованием процесса Байера; на каждую тонну (2200 фунтов) произведенного глинозема также производится приблизительно от 1 до 1,5 тонн (от 2200 до 3300 фунтов) красного шлама; средний мировой показатель составляет 1,23. Годовое производство глинозема в 2023 году составило более 142 миллионов тонн (310 миллиардов фунтов), что привело к образованию приблизительно 170 миллионов тонн (370 миллиардов фунтов) красного шлама. [1]

Из-за этого высокого уровня производства и высокой щелочности материала , если он не хранится должным образом, он может представлять значительную опасность для окружающей среды. В результате, значительные усилия вкладываются в поиск лучших методов безопасного хранения и обращения с ним, таких как валоризация отходов с целью создания полезных материалов для цемента и бетона . [2]

Реже этот материал также известен как бокситовые хвосты , красный шлам или остатки глиноземного завода . Все чаще используется название обработанный боксит , особенно при использовании в цементных изделиях.

Производство

Красный шлам является побочным продуктом процесса Байера, основного способа переработки бокситов на пути к глинозему. Полученный глинозем является сырьем для производства алюминия по процессу Холла-Эру . [3] Типичный завод по переработке бокситов производит в один-два раза больше красного шлама, чем глинозема. Это соотношение зависит от типа боксита, используемого в процессе переработки, и условий извлечения. [4]

Более 60 производственных предприятий по всему миру используют процесс Байера для производства глинозема из бокситовой руды. [ требуется ссылка ] Бокситовая руда добывается, как правило, в открытых карьерах и транспортируется на глиноземный завод для переработки. Глинозем извлекается с использованием гидроксида натрия в условиях высокой температуры и давления. Нерастворимая часть боксита (остаток) удаляется, давая начало раствору алюмината натрия , который затем затравливается кристаллом гидроксида алюминия и охлаждается, что заставляет оставшийся гидроксид алюминия выпадать в осадок из раствора. Часть гидроксида алюминия используется для затравки следующей партии, в то время как остальная часть прокаливается ( нагревается) при температуре более 1000 °C (1830 °F) во вращающихся печах или флюидных флэш-кальцинаторах для получения оксида алюминия (глинозема).

Содержание глинозема в используемом боксите обычно составляет от 42 до 50%, но могут использоваться руды с широким диапазоном содержания глинозема. Соединение алюминия может присутствовать в виде гиббсита (Al(OH) 3 ), бемита (γ-AlO(OH)) или диаспора (α-AlO(OH)). Остаток неизменно имеет высокую концентрацию оксида железа , что придает продукту характерный красный цвет. Небольшое остаточное количество гидроксида натрия, используемого в процессе, остается с остатком, в результате чего материал имеет высокий pH/щелочность, обычно выше 12. Различные этапы процессов разделения твердого вещества и жидкости рециркулируют как можно больше гидроксида натрия из остатка обратно в процесс Байера, чтобы снизить производственные затраты и сделать процесс максимально эффективным. Это также снижает конечную щелочность остатка, что упрощает и делает более безопасным его обработку и хранение.

Состав

Красный шлам состоит из смеси твердых и металлических оксидов. Красный цвет возникает из-за оксидов железа , которые могут составлять до 60% массы. Грязь является сильнощелочной с pH в диапазоне от 10 до 13. [3] [4] [5] Помимо железа, другие доминирующие компоненты включают кремний , невыщелоченные остаточные соединения алюминия и оксид титана . [6]

Основными составляющими остатка после извлечения алюминиевого компонента являются нерастворимые оксиды металлов. Процент этих оксидов, производимых конкретным глиноземным заводом, будет зависеть от качества и природы бокситовой руды и условий извлечения. В таблице ниже показаны диапазоны состава для распространенных химических компонентов, но значения сильно различаются:

Минералогически присутствующие компоненты следующие:

В целом состав остатка отражает состав неалюминиевых компонентов, за исключением части кремниевого компонента: кристаллический кремний (кварц) не будет реагировать, но часть присутствующего кремния, часто называемого реактивным кремнием, будет реагировать в условиях экстракции и образовывать алюмосиликат натрия, а также другие родственные соединения.

Экологические опасности

Сброс красного шлама может быть опасен для окружающей среды из-за его щелочности и видового состава.

До 1972 года итальянская компания Montedison сбрасывала красный шлам у берегов Корсики . [7] Этот случай имеет важное значение в международном праве, регулирующем Средиземное море . [8]

В октябре 2010 года около одного миллиона кубических метров (35 миллионов кубических футов) шлама красного шлама с глиноземного завода недалеко от Колонтара в Венгрии было случайно сброшено в окружающую сельскую местность в результате аварии на глиноземном заводе в Айке , в результате чего погибло десять человек и была загрязнена большая территория. [9] Сообщалось, что вся жизнь в реке Маркал была «уничтожена» красным шламом, и в течение нескольких дней шлам достиг Дуная . [10] Долгосрочные экологические последствия разлива были незначительными после восстановительных работ стоимостью 127 миллионов евро , проведенных венгерским правительством. [11]

Места хранения остатков

Методы хранения остатков существенно изменились с тех пор, как были построены первоначальные заводы. Практика в ранние годы заключалась в перекачке пульпы с концентрацией около 20% твердых веществ в лагуны или пруды, иногда создаваемые в бывших бокситовых шахтах или истощенных карьерах. В других случаях водохранилища строились с плотинами или дамбами , в то время как для некоторых операций долины перекрывались плотинами, а остатки откладывались в этих зонах хранения. [12]

Когда-то было обычной практикой сбрасывать красный шлам в реки, эстуарии или море по трубопроводам или баржам; в других случаях остаток отправляли в море и утилизировали в глубоких океанских впадинах на расстоянии многих километров от берега. С 2016 года все сбросы в море, эстуарии и реки были прекращены. [13]

Поскольку места для хранения остатков не хватало, а обеспокоенность по поводу влажного хранения возросла, с середины 1980-х годов все чаще стали применять сухое складирование. [14] [15] [16] [17] При этом методе остатки сгущаются до состояния пульпы высокой плотности (48–55% твердых веществ или выше), а затем укладываются таким образом, чтобы они консолидировались и высыхали. [18]

Все более популярным процессом обработки является фильтрация, при которой образуется фильтровальный осадок (обычно с влажностью 23–27%). Этот осадок можно промывать водой или паром для снижения щелочности перед транспортировкой и хранением в виде полусухого материала. [19] Остаток, полученный в такой форме, идеально подходит для повторного использования, поскольку он имеет более низкую щелочность, его дешевле перевозить, с ним проще обращаться и обрабатывать. Другим вариантом обеспечения безопасного хранения является использование амфиролов для обезвоживания материала после его осаждения, а затем «кондиционирования» с использованием сельскохозяйственного оборудования, такого как бороны, для ускорения карбонизации и, таким образом, снижения щелочности. Остаток боксита, полученный после пресс-фильтрации и «кондиционирования, как описано выше, классифицируется как неопасный в соответствии с Рамочной директивой ЕС по отходам.

В 2013 году компания Vedanta Aluminium , Ltd. ввела в эксплуатацию установку по производству порошка красного шлама на своем нефтеперерабатывающем заводе Lanjigarh в Одише , Индия , назвав ее первой в своем роде в глиноземной промышленности, решающей серьезные экологические проблемы. [20]

Использовать

С тех пор как процесс Байера был впервые принят в промышленном масштабе в 1894 году, ценность оставшихся оксидов была признана. Были предприняты попытки извлечь основные компоненты, особенно оксиды железа . С тех пор, как началась добыча бокситов , большое количество исследовательских усилий было посвящено поиску использования остатков. Многие исследования в настоящее время финансируются Европейским союзом в рамках программы Horizon Europe . [ необходима ссылка ] Было проведено несколько исследований для разработки использования красного шлама. [21] По оценкам, от 3 до 4 миллионов тонн (от 6,6 до 8,8 миллиардов фунтов) ежегодно используются в производстве цемента, [22] строительстве дорог [23] и в качестве источника железа. [3] [4] [5] Потенциальные области применения включают производство недорогого бетона, [24] применение на песчаных почвах для улучшения фосфорного цикла , улучшение кислотности почвы , покрытие свалок и связывание углерода . [25] [26]

Обзоры, описывающие текущее использование остатков боксита в портландцементном клинкере , дополнительных цементных материалах/смешанных цементах и ​​специальных цементах на основе алюмината кальция (CAC) и цементах на основе сульфоалюмината кальция (CSA), были тщательно исследованы и задокументированы. [27]

В 2015 году в Европе была запущена крупная инициатива с финансированием от Европейского союза по решению проблемы валоризации красного шлама. Около 15 аспирантов были набраны в рамках Европейской учебной сети (ETN) для безотходной валоризации бокситовых остатков. [32] Основное внимание будет уделяться извлечению железа, алюминия, титана и редкоземельных элементов (включая скандий ) при валоризации остатков в строительные материалы. Было сформировано Европейское инновационное партнерство для изучения вариантов использования побочных продуктов алюминиевой промышленности, BRAVO (Операции по валоризации бокситовых остатков и алюминия). Это было направлено на объединение промышленности с исследователями и заинтересованными сторонами для изучения наилучших доступных технологий для восстановления критически важного сырья, но не было продолжено. Кроме того, финансирование ЕС в размере около 11,5  млн евро было выделено на четырехлетнюю программу, которая начнется в мае 2018 года и будет рассматривать использование бокситовых остатков с другими отходами, RemovAL. Особое внимание в этом проекте уделяется установке пилотных установок для оценки некоторых интересных технологий из предыдущих лабораторных исследований. В рамках проекта H2020 RemovAl планируется возвести дом в районе Аспра Спития в Греции, который будет полностью сделан из материалов из остатков бокситов.

Другими финансируемыми ЕС проектами, включающими утилизацию остатков бокситов и отходов, были ENEXAL (Энергия-Эксергии алюминиевой промышленности) [2010–2014], EURARE (Европейские редкоземельные ресурсы) [2013–2017] и еще три недавних проекта: ENSUREAL (Обеспечение устойчивого производства глинозема) [2017–2021], SIDEREWIN (Устойчивое электровыделение железа) [2017–2022] и SCALE (SCandium – алюминий в Европе) [2016–2020] — проект стоимостью 7  миллионов евро по изучению извлечения скандия из остатков бокситов.

В 2020 году Международный институт алюминия запустил дорожную карту по максимальному использованию остатков бокситов в цементе и бетоне. [33] [34]

В ноябре 2020 года был запущен исследовательский проект ReActiv: активация промышленных остатков для устойчивого производства цемента, финансируемый ЕС. Одна из крупнейших в мире цементных компаний Holcim в сотрудничестве с 20 партнерами из 12 европейских стран запустила амбициозный 4-летний проект ReActiv (reactivproject.eu). Проект ReActiv создаст новую устойчивую симбиотическую цепочку создания стоимости, связывающую побочный продукт глиноземной промышленности и цементную промышленность. В ReActiv будут внесены изменения как в производство глинозема, так и в производство цемента в этой цепочке, чтобы связать их с помощью новых технологий ReActiv. Последние изменят свойства промышленных остатков, превратив их в реактивный материал (с пуццолановой или гидравлической активностью), подходящий для новых цементных продуктов с низким следом CO2 . Таким образом, ReActiv предлагает беспроигрышный сценарий для обоих промышленных секторов (сокращение отходов и выбросов CO2 соответственно ).

Fluorchemie GmbH разработали новую огнезащитную добавку из бокситовых остатков, продукт называется MKRS (модифицированный рекарбонизированный красный шлам) с торговой маркой ALFERROCK(R) и имеет потенциальную применимость в широком диапазоне полимеров (PCT WO2014/000014). Одним из его особых преимуществ является способность работать в гораздо более широком диапазоне температур, 220–350 °C (428–662 °F), что является альтернативой нулевым галогенам неорганических огнестойких добавок, таких как гидроксид алюминия, бемит или гидроксид магния . В дополнение к полимерным системам, где может использоваться гидроксид алюминия или гидроксид магния, он также оказался эффективным во вспененных полимерах, таких как EPS и PUR пены при загрузке до 60%.

В подходящей компактной твердой форме с плотностью приблизительно 3,93 грамма на кубический сантиметр (0,142 фунта/куб. дюйм) ALFERROCK, полученный путем прокаливания остатков боксита, оказался очень эффективным в качестве среды хранения тепловой энергии (WO2017/157664). Материал можно многократно нагревать и охлаждать без ухудшения его свойств, а его удельная теплоемкость находится в диапазоне 0,6–0,8 кДж/(кг·К) при 20 °C (68 °F) и 0,9–1,3 кДж/(кг·К) при 726 °C (1339 °F); это позволяет материалу эффективно работать в устройствах хранения энергии , чтобы максимально использовать преимущества солнечной энергии, ветряных турбин и гидроэлектрических систем. Из красного шлама были разработаны высокопрочные геополимеры. [35]

Устойчивый подход к переработке низкосортных бокситов

Процесс IB2 — это французская технология, разработанная для повышения извлечения глинозема из бокситов, особенно низкосортных бокситов. Этот метод направлен на повышение эффективности производства глинозема при одновременном снижении воздействия на окружающую среду, обычно связанного с этим процессом, в частности, образования красного шлама и выбросов углекислого газа.

Технология IB2, запатентованная в 2019 году, [36] является результатом десятилетних исследований и разработок Ива Очелло, бывшего химика из Печинея. Этот процесс улучшает традиционный процесс Байера, который использовался более века для извлечения глинозема из бокситов. Он обеспечивает значительное снижение потребления каустической соды и заметное снижение выхода красного шлама, тем самым минимизируя опасные отходы и экологические риски.

Помимо сокращения производства красного шлама, процесс IB2 способствует снижению выбросов CO2 , в первую очередь за счет оптимизированной обработки низкосортного боксита. Ограничивая необходимость импорта высокосортного боксита, этот процесс снижает углеродный след, связанный с транспортировкой руды. Кроме того, процесс дает побочный продукт, который может быть использован в производстве экологически чистых цементов, продвигая концепцию круговой экономики. [37]

Изобретателем технологии является химик Ив Очелло, который в 2017 году совместно с Роменом Жирбалем основал компанию IB2.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ежегодная статистика, собираемая и публикуемая World Aluminium.
  2. ^ Эванс, К., «История, проблемы и новые разработки в области управления и использования бокситовых отходов», J. Sustain Metall. Май 2016 г. doi :10.1007/s40831-016-00060-x.
  3. ^ abc Schmitz, Christoph (2006). "Утилизация красного шлама". Справочник по переработке алюминия . Vulkan-Verlag GmbH. стр. 18. ISBN 978-3-8027-2936-2.
  4. ^ abc Chandra, Satish (1996-12-31). "Red Mud Utilization". Отходы, используемые в производстве бетона . Elsevier Science. стр. 292–295. ISBN 978-0-8155-1393-3.
  5. ^ ab Society for Mining, Metallurgy, Exploration US (2006-03-05). "Бокситы". Промышленные минералы и горные породы: товары, рынки и использование . стр. 258–259. ISBN 978-0-87335-233-8.{{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  6. ^ Айрес, РУ, Холмберг, Дж., Андерссон, Б., «Материалы и глобальная окружающая среда: добыча отходов в 21 веке», MRS Bull. 2001, 26, 477. doi :10.1557/mrs2001.119
  7. ↑ Крозье, Жан (17 февраля 2013 г.). «Долгая борьба с загрязнением Средиземноморья в Монтедисоне». Франция 3 Corse ViaStella (на французском языке) . Проверено 4 января 2019 г.
  8. ^ Хугло, Кристиан. «Le recurs au juge - это гарантия сохранения целостности окружающей среды». Actu-Environnement (на французском языке) . Проверено 4 января 2019 г.
  9. ^ Гура, Дэвид (5 октября 2010 г.). «Выброс токсичного красного шлама с венгерского алюминиевого завода — экологическая катастрофа». NPR.org . Национальное общественное радио . Получено 5 января 2019 г.
  10. ^ "Венгерский химический шлам достиг Дуная". BBC News . 7 октября 2010 г. Получено 3 февраля 2021 г.
  11. ^ "Разлив красного шлама в Венгрии нанес небольшой долгосрочный ущерб" . Получено 14 декабря 2018 г.
  12. ^ Эванс, Кен; Нордхейм, Эйрик; Цесмелис, Кэти (2012). «Управление остатками бокситов». Легкие металлы . John Wiley & Sons, Ltd. стр. 61–66. doi :10.1002/9781118359259.ch11. ISBN 9781118359259.
  13. ^ Power, G.; Gräfe, M.; Klauber, C. (июнь 2011 г.). «Проблемы с остатками бокситов: I. Текущие методы управления, утилизации и хранения». Гидрометаллургия . 108 (1–2): 33–45. Bibcode : 2011HydMe.108...33P. doi : 10.1016/j.hydromet.2011.02.006.
  14. ^ Б. Г. Пернелл, «Утилизация шлама на глиноземном заводе в Бернтисленде». Легкие металлы, 157–159. (1986).
  15. ^ HH Pohland и AJ Tielens, «Проектирование и эксплуатация недекантируемых красных шламовых прудов в Людвигсхафене», Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Кингстон, Ямайка (1986).
  16. ^ EI Robinsky, «Современное состояние наклонной системы захоронения утолщенных хвостов», Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).
  17. ^ Дж. Л. Чандлер, «Процесс штабелирования и солнечной сушки для утилизации бокситовых хвостов на Ямайке», Труды Международной конференции по бокситовым хвостам, Кингстон, Ямайка (1986).
  18. ^ "Управление отходами бокситов: наилучшая практика" (PDF) . World Aluminum . Получено 5 января 2019 г. .
  19. ^ К.С. Сазерленд, «Оборудование для разделения твердой и жидкой фаз», Wiley-VCH, Вайнхайм (2005).
  20. ^ "Vedanta вводит в эксплуатацию завод по производству порошка красного шлама в Одише". Business Line . 19 ноября 2013 г.
  21. ^ Кумар, Санджай; Кумар, Ракеш; Бандопадхай, Амитава (2006-10-01). «Инновационные методики утилизации отходов металлургической и смежных отраслей». Ресурсы, сохранение и переработка . 48 (4): 301–314. Bibcode : 2006RCR....48..301K. doi : 10.1016/j.resconrec.2006.03.003.
  22. ^ Y. Pontikes и GN Angelopoulos «Остатки боксита в цементе и цементных материалах», Resourc. Conserv. Recyl. 73, 53-63 (2013).
  23. ^ ab WKBiswas и DJ Cooling, «Оценка устойчивости красного песка как заменителя первичного песка и дробленого известняка», J. of Ind. Ecology, 17(5) 756-762 (2013).
  24. ^ Лю, В., Ян, Дж., Сяо, Б., «Обзор обработки и использования остатков бокситов в Китае», Int. J. Miner. Process. 2009, 93, 220. doi :10.1016/j.minpro.2009.08.005
  25. ^ "Управление отходами боксита". bauxite.world-aluminium.org . Международный институт алюминия . Получено 9 августа 2016 г. .
  26. ^ Си, Чуньхуа; Ма, Инцюнь; Линь, Чуся (2013). «Красный шлам как поглотитель углерода: изменчивость, влияющие факторы и экологическое значение». Журнал опасных материалов . 244–245: 54–59. Bibcode : 2013JHzM..244...54S. doi : 10.1016/j.jhazmat.2012.11.024. PMID  23246940.
  27. ^ "Добыча и переработка руды – Утилизация остатков бокситов". bauxite.world-aluminium.org . Получено 04.10.2019 .
  28. ^ Y. Pontikes и GN Angelopoulos «Остатки боксита в цементе и цементных материалах», Resourc. Conserv. Recyl. 73, 53–63 (2013).
  29. ^ Y. Pontikes, GN Angelopoulos, B. Blanpain, «Радиоактивные элементы в бокситовых отходах процесса Bayer и их влияние на варианты валоризации», Транспортировка NORM, Измерения и стратегии NORM, Строительные материалы, Достижения в области науки и техники, 45, 2176–2181 (2006).
  30. ^ H. Genc¸-Fuhrman, JC Tjell, D. McConchie, «Адсорбция мышьяка из воды с использованием активированного нейтрализованного красного шлама», Environ. Sci. Technol. 38 (2004) 2428–2434.
  31. ^ Б. К. Парех и В. М. Голдбергер, «Оценка технологии возможного использования шламов процесса Байера», опубликовано Агентством по охране окружающей среды США, EPA 600/2-76-301.
  32. ^ «Проект | Европейская учебная сеть по безотходной валоризации бокситовых остатков (красного шлама)».
  33. ^ «Технологическая дорожная карта — максимальное использование остатков бокситов в цементе». Международный институт алюминия . 2021-06-22 . Получено 2023-05-25 .
  34. ^ "Добыча и переработка руды – Утилизация остатков бокситов". bauxite.world-aluminium.org . Получено 04.10.2019 .
  35. ^ Закира, Умме; Чжэн, Кай; Сье, Нин; Биргиссон, Бьорн (10.01.2023). «Разработка высокопрочных геополимеров из красного шлама и доменного шлака». Журнал чистого производства . 383 : 135439. Bibcode : 2023JCPro.38335439Z. doi : 10.1016/j.jclepro.2022.135439. ISSN  0959-6526. S2CID  254353567.
  36. ^ https://data.inpi.fr/search?advancedSearch=%257B%257D&displayStyle=List&filter=%257B%257D&nbResultsPerPage=20&order=asc&page=1&q=Occello&sort=relevance&type=patents. {{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
  37. ^ «IB2 получает инвестиции в размере 8 миллионов евро от Otium Capital для дальнейшего развития зеленых промышленных технологий». Yahoo Finance . 2024-02-16 . Получено 2024-02-27 .

Источники

Внешние ссылки