Spent Potlining (SPL) es un material de desecho generado en la industria de fundición de aluminio primario . Spent Potlining también se conoce como Spent Potliner y Spent Cell Liner.
La fundición de aluminio primario es el proceso de extraer el metal de aluminio del óxido de aluminio (también conocido como alúmina). El proceso tiene lugar en celdas electrolíticas que se conocen como ollas. Las macetas están formadas por carcasas de acero con dos revestimientos, un revestimiento exterior aislante o refractario y un revestimiento interior de carbono que actúa como cátodo de la celda electrolítica. Durante el funcionamiento de la celda, las sustancias, incluidos el aluminio y los fluoruros, se absorben en el revestimiento de la celda. Después de algunos años de funcionamiento, el revestimiento de la olla falla y se retira. El material eliminado se gasta en revestimiento (SPL). SPL fue incluido por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos en 1988 como un desecho peligroso. [1] Las propiedades peligrosas de SPL son:
- Compuestos tóxicos de fluoruro y cianuro que se pueden lixiviar en agua
- Corrosivo: presenta un pH alto debido a los metales alcalinos y los óxidos.
- Reactivo con el agua, produciendo gases inflamables, tóxicos y explosivos. [2]
La naturaleza tóxica, corrosiva y reactiva de SPL significa que se debe tener especial cuidado en su manipulación, transporte y almacenamiento. [2] El SPL de los cátodos de celdas de reducción de aluminio se está convirtiendo en una de las principales preocupaciones ambientales de la industria del aluminio. Por otro lado, también representa un importante potencial de recuperación por su contenido de flúor y energía. [3]
La mayoría de los SPL se almacenan actualmente en los sitios de fundición de aluminio o se colocan en vertederos . Los fluoruros y cianuros disueltos de SPL que se colocan en vertederos, junto con otros lixiviados, pueden tener impactos ambientales. Los métodos de almacenamiento ambientalmente seguros incluyen vertederos seguros o edificios de almacenamiento permanente. Sin embargo, muchas de las soluciones ambientalmente seguras son caras y pueden desarrollar problemas imprevistos en el futuro. [4]
Fondo
La producción de metal de aluminio primario con el proceso Hall-Héroult implica la reducción electrolítica de alúmina en celdas o macetas. El electrolito se compone de criolita fundida y otros aditivos. El electrolito está contenido en un revestimiento de carbono y refractario en una cáscara de acero. Las macetas suelen tener una vida útil de 2 a 6 años. Finalmente, la celda falla y el revestimiento del recipiente (SPL) se quita y reemplaza. El SPL generado está catalogado por varios organismos medioambientales como residuo peligroso. [5] Debido a las concentraciones de fluoruros y cianuros en el revestimiento usado y a la tendencia a lixiviarse en contacto con el agua, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) enumeró los materiales el 13 de septiembre de 1988 (53 Fed. Reg. 35412) como desechos peligrosos (K088) según el 40 CFR, Parte 261, Subparte D. [6] El envío internacional de SPL está sujeto a los protocolos del Convenio de Basilea sobre el movimiento transfronterizo de desechos peligrosos y su eliminación. [7] Dado que las agencias de regulación ambiental en un número cada vez mayor de países definen al SPL como un material peligroso, los costos de eliminación pueden ascender fácilmente a más de $ 1000 por tonelada de SPL. [8] La producción mundial de aluminio primario es del orden de 40 millones de toneladas. Las fundiciones del mundo también producen alrededor de un millón de toneladas de desechos tóxicos de SPL. La práctica anterior de la industria ha sido el vertido de estos residuos. Esto debe cambiar si la industria del aluminio quiere reclamar un grado razonable de sostenibilidad y emisiones ambientalmente tolerables. [9] El vertido de SPL sin reaccionar se considera una práctica del pasado. [10]
La industria del aluminio primario ha trabajado sistemáticamente para minimizar la cantidad de SPL producido, al extender la vida útil del revestimiento en las ollas de fundición. Desde la década de 1970, SPL ha sido reconocido como un recurso valioso para otras industrias, incluso como materia prima en los procesos de producción de cemento, lana mineral y acero. El Instituto Internacional del Aluminio ha definido el siguiente “Objetivo voluntario SPL del Instituto Internacional del Aluminio
- La industria del aluminio reconoce que el revestimiento de ollas gastado tiene propiedades que lo convierten en un material valioso para su uso en otros procesos y, por lo tanto, se esforzará por convertir todo el revestimiento de ollas gastado en materias primas para otras industrias, que incluyen cemento, acero, lana mineral y agregados de construcción. empresas o para reutilizar o procesar todos los SPL en sus propias instalaciones.
- En espera de la deposición final, la industria se esforzará por almacenar todo el revestimiento de la olla usado en edificios / contenedores ventilados, seguros e impermeables que mantendrán el revestimiento de la olla usado en un estado seco sin posibilidad de acumulación de gases nocivos ". [11]
Propiedades químicas de SPL
Existe una variación en la composición de SPL dependiendo de factores tales como el tipo de tecnología de fundición de aluminio utilizada, los componentes iniciales del revestimiento de la celda y los procedimientos de desmantelamiento. La composición indicativa de SPL para tres tecnologías diferentes se muestra en la siguiente tabla. [2]
Componente | Tecnología tipo A | Tecnología tipo B | Tecnología Söderberg | Fases principales |
---|---|---|---|---|
Fluoruros (% en peso) | 10,9 | 15,5 | 18,0 | Na 3 AlF 6 , NaF, CaF 2 |
Cianuros (ppm) | 680 | 4480 | 1040 | NaCN, NaFe (CN) 6 |
Aluminio total (% en peso) | 13,6 | 11,0 | 12,5 | Al 2 O 3 , NaAl 11 O 17 |
Carbono (% en peso) | 50,2 | 45,5 | 38,4 | Grafito |
Sodio (% en peso) | 12,5 | 16,3 | 14.3 | Na 3 AlF 6 , Naf |
Aluminio Metal (% en peso) | 1.0 | 1.0 | 1,9 | Metal |
Calcio (% en peso) | 1.3 | 2.4 | 2.4 | CaF 2 |
Hierro (% en peso) | 2.9 | 3.1 | 4.3 | Fe 2 O 3 |
Litio | 0,03 | 0,03 | 0,6 | Li 3 AlF 6 , LiF |
Titanio (% en peso) | 0,23 | 0,24 | 0,15 | TiB 2 |
Magnesio (% en peso) | 0,23 | 0,09 | 0,2 | Ejemplo |
SPL es peligroso debido a:
- Toxicidad por compuestos de fluoruro y cianuro que se pueden lixiviar en agua
- Corrosivo: presenta un pH alto debido a los metales alcalinos y los óxidos.
- Reacciona con el agua de forma que produce gases inflamables, tóxicos y explosivos. [2]
Un ejemplo de las posibles consecuencias de la reacción del SPL con el agua es la muerte de dos trabajadores y los costos de daños reportados de $ 30 millones debido a una explosión de gases inflamables de SPL en la bodega de un buque de carga. [12]
Los fluoruros lixiviables en SPL provienen de la criolita (Na 3 AlF 6 ) y el fluoruro de sodio (NaF) que se utilizan como fundente en el proceso de fundición.
Los compuestos de cianuro se forman en el revestimiento de la olla cuando el nitrógeno del aire reacciona con otras sustancias. Por ejemplo, nitrógeno que reacciona con sodio y carbono de acuerdo con la ecuación:
1,5N 2 + 3Na + 3C → 3NaCN. [13]
El carburo de aluminio se forma en el revestimiento del recipiente a partir de la reacción del aluminio metálico y el carbono de acuerdo con la ecuación:
4Al + 3C → Al 4 C 3 . [14]
El nitruro de aluminio se forma a partir de una serie de reacciones, incluida la reacción de la criolita con nitrógeno y sodio de acuerdo con la ecuación:
Na 3 AlF 6 + 0.5N 2 + 3Na → AlN + 6NaF [15]
Los gases se generan a partir de reacciones del agua con compuestos como el metal de aluminio no oxidado, el metal de sodio no oxidado, el carburo de aluminio y el nitruro de aluminio. Los gases típicos de la reacción de SPL con agua son:
Toxicidad de SPL
Varios estudios de investigación [17] [18] [19] [20] incluyeron pruebas biológicas para evaluar la toxicidad del SPL en plantas y seres humanos. Las sales de aluminio, cianuro y fluoruro se identificaron como los principales agentes tóxicos en SPL. Se evaluó el potencial genotóxico de SPL y sus principales componentes químicos en células vegetales y humanas. Los efectos observados en las células vegetales incluyeron la reducción del índice mitótico y un aumento en la frecuencia de alteraciones cromosómicas . El fluoruro fue el principal componente genotóxico de los leucocitos humanos .
Los efectos observados inducidos por SPL sugieren su potencial mutagénico en células vegetales y animales, lo que confirma su nocividad para el medio ambiente y los seres humanos.
Los estudios recomiendan sistemáticamente que las medidas de manipulación y la eliminación adecuada de SPL son extremadamente importantes e indispensables para evitar su dispersión al medio ambiente y que el almacenamiento y la eliminación de SPL deben supervisarse de cerca para reducir el riesgo.
Problemas con el relleno sanitario SPL
Las prácticas pasadas para lidiar con el revestimiento gastado (SPL, por sus siglas en inglés) incluyen arrojarlo a los ríos o al mar o almacenarlo en vertederos abiertos o en vertederos. Estos métodos no son ambientalmente aceptables debido a la lixiviabilidad de los cianuros y fluoruros. Más recientemente, el SPL se ha almacenado en rellenos sanitarios seguros donde se coloca sobre una base impermeable y se cubre con una tapa impermeable. [5] La cantidad de información detallada disponible sobre la calidad del filtrado de los vertederos SPL existentes es muy limitada. [21]
Un estudio de 2004 de un vertedero que contenía SPL ubicado en América del Norte identificó cuatro especies químicas como contaminantes prioritarios: cianuro, fluoruro, hierro y aluminio. La evaluación del ciclo de vida y la modelización del transporte de agua subterránea se utilizaron para proporcionar una comprensión de la situación identificando problemas ambientales e impactos potenciales ecotoxilógicos significativos. El estudio observó que, si bien se suponía que el confinamiento del suelo y los desechos era perfecto, de hecho estos sitios podrían convertirse en fuentes de contaminación. El estudio establece que la opción más ventajosa es la destrucción total de la fracción SPL si se consideran las preocupaciones sobre la calidad del confinamiento a largo plazo. [22] La principal objeción al tipo de eliminación sellada es que deberá ser monitoreada indefinidamente. Por lo tanto, existe una necesidad real de encontrar formas alternativas seguras y aceptables para la eliminación en vertederos. [23]
Los propietarios anteriores arrojaron SPL en un depósito de desechos sin revestimiento en la fundición Kurri Kurri en Australia, lo que provocó la contaminación del acuífero de agua subterránea local con altos niveles de fluoruro, cianuro, sulfato de sodio y cloruro. [24]
Una Acción Provisional realizada bajo la Orden Convenida No. DE-5698 entre el Puerto de Tacoma y el Departamento de Ecología del Estado de Washington aborda la remoción, mediante excavación y disposición fuera del sitio, del material de la zona SPL y el suelo contaminado asociado en un antiguo sitio de fundición de aluminio. El trasfondo de esta situación es que de 1941 a 1947, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos construyó y operó una fundición de aluminio en el Sitio. En 1947, Kaiser Aluminium & Chemical Corporation (Kaiser Aluminium) compró el Sitio y operó la planta de producción de aluminio hasta 2001. En 2002, Kaiser Aluminium cerró la planta y, en 2003, el Puerto de Tacoma compró la propiedad de fundición de Kaiser Aluminium para su remodelación. . [25]
Opciones de tratamiento SPL
Se han propuesto varias alternativas para el tratamiento del SPL. Las alternativas se pueden clasificar de la siguiente manera:
- técnicas de eliminación donde todo o parte del SPL es destruido o utilizado por otra industria, incluyendo:
- combustión para generación de energía
- aditivos de escoria en la industria del hierro y el acero
- suplemento de combustible y minerales en la fabricación de cemento
- industria del ladrillo rojo
- conversión a materiales de relleno sanitario inertes
- Técnicas de recuperación o reciclaje en las que parte del SPL se puede recuperar para su uso en la fundición primaria de aluminio:
- recuperación de fluoruro de procesos de lixiviación
- pirohidrólisis
- pirosulfólisis
- silicopirohidrólisis
- recuperación de grafito
- aditivos de carbono de cátodo
- aditivos de carbono de ánodo
- recuperación selectiva de aluminio metálico. [26]
El reciclaje a través de otras industrias es una opción atractiva y probada; sin embargo, la clasificación de SPL como desecho peligroso ha desalentado en gran medida a otras industrias de utilizar SPL, debido a las onerosas y costosas regulaciones ambientales. [6] [16] La Comisión de Ecología y Control de Contaminación de Arkansas señaló que el SPL tratado utilizado para construir carreteras se recuperó y se colocó en un vertedero seguro. [27]
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