vörösiszapok kezelése és hasznosítása
DESCRIPTION
Vörösiszapok kezelése és hasznosítása. Szépvölgyi János MTA Kémiai Kutatóközpont, Anyag- és Környezetkémiai Intézet [email protected]. Helyzetkép. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
1
Vörösiszapok kezelése és hasznosítása
Szépvölgyi JánosMTA Kémiai Kutatóközpont, Anyag- és Környezetkémiai Intézet
2
Helyzetkép
It has been estimated that in 2000, the global inventory of bauxite residue stood at about 2 billion tons and is likely to reach 4 billion tons by 2015 unless improved
means of storage, rehabilitation and re-use options are developed in large scale.
International Aluminium Institute, 2010
3
A vörösiszap képződése világprobléma
Mennyiségi okok miatt
Földrajzi okok miatt
Forrás: CSIRO Document DMR-3608, May 2009.
4
A VÖRÖSISZAP TULAJDONSÁGAI
5
Képződés: Bayer-technológia
A bauxit feltárása és Al-tartalmának elválasztása
Feltárási körülmények Laterit-bauxitok: 150-160oC, 1-3 atm, 3,5-4,9 M NaOH Karszt-bauxitok: 200-240oC, 3-6 atm, 3,5-8,7 M NaOH
Egy tonna Al2O3 előállításához 1,9 – 3,6
tonna bauxitot kell feldolgozni
Forrás: CSIRO Document DMR-3608, May 2009.
6
Technológia vs. tulajdonságok
Technológiai lépés• Bauxitőrlés
• Kovasavtalanítás• Feltárás
• Ülepítés
Tulajdonságok változása• Szemcseméret, fajlagos felület • Reológiai jellemzők, összetétel• CAS kialakulása• Kémiai, ásványos összetétel• Na-tartalom, pH nő• Alumínium oldatba kerül, elválik• Stabilabb fázisok alakulnak ki• Adalékok bevitele• Aluminátlúg + vörösiszap
7
Technológia vs. tulajdonságok
Technológiai lépés• Mosás
• Szűrés, besűrítés
Tulajdonság változása• Flokkulensek adagolása• NaOH, NaAl(OH)4 visszanyerése • Szilárdanyag-tartalom növelése• További szűrési segédanyagok• További mosás
8
Feltárási maradék vagy vörösiszap?• Vörösiszap: összetett anyag
– Bauxit feltárás szilárd maradéka + Na2O + egyéb anyagok
– Erősen lúgos (pH = 11-13) veszélyes a környezetre
• Feltárási maradék – Oldhatatlan alkotók (FeOOH, SiO2, NAS, CAS, CaCO3, Na2OTiO2)
– Pórusvíz (10x hígabb a feltáró oldatnál, de még erősen lúgos)
– CaCO3, TCA, kalcium-aluminát-karbonát pH pufferként viselkednek
• Na2O-tartalom
– Oldatban levő (szabad) Na2O (NaOH)
– Kémiailag kötött Na2O
– Összes Na2O
9
Az Ajkán kitárolt bauxitmaradékok
VÖRÖSISZAPOK
Szárazanyag-tartalmuk 30 %, pH-juk 11-12
10
Ajkai vörösiszapok összetétele
Alkotó m/m %
Fe2O3 37,0 ± 2,6
SiO2 20,0 ± 2,7
Al2O3 14,3 ± 1,6
Na2O 4,8 ± 1,3
TiO2 3,8 ± 0,5
Főalkotók RitkafémekAlkotó mg/kg
Ce 188 ± 18
La 299 ± 63
Nb 100 ± 12
Sc 120 ± 8
Sm 127 ± 18
Y 121 ± 24
V 866 ± 110
Zr 1001 ± 81
Összesen 2822
Forrás: PE – MTA KK AKI 2002
7 kazettából gyűjtött 50 minta átlaga
11
Ajkai vörösiszapok egyéb alkotói
• EU: a vörösiszap nem veszélyes hulladék– European Waste Catalogue and Hazardous Waste List
• Ajkai vörösiszap magas pH veszélyes• Összetételére nincsenek határértékek• Környezeti hatás: mi legyen a vonatkoztatási alap?
– Földtani közeg (6/2009 (IV. 14.) KvVM-EüM-FVM)
– Szennyvíziszap (50/2001 (IV. 3.) Korm. rendelet)Vesz
élye
s, v
agy
nem
?
12
Ajkai vörösiszapok mellékalkotói
AlkotóKoncentráció (mg/kg) Határérték (mg/kg)
AKI 1 AKI 2 Földtani közeg Szennyvíziszap
As 140 34,6 15 75
Cd <0,003 <0,003 1 10
Cr 650 84,6 75 1000
Hg 5,1 <0,004 1 10
Ni 196 68,7 40 200
Pb 193 48,6 100 750
Zn 52,3 40,2 200 200
Összesen 1237 278 432 2245
Mintavétel: 2010. október 5. Kolontár térsége
13
Ajkai vörösiszapok fázisviszonyai • Fő kristályos alkotók
– Göthit (FeOOH)– Hematit (α-Fe2O3)
• Fő Al-tartalmú fázis – Böhmit (AlOOH)
• Egyéb fázisok– Kalcit (CaCO3)– CAS– Szodalitok (NAS)– Rutil, anatáz (TiO2)– Nátrium-titanát
14
Ajkai vörösiszapok morfológiája
0-5 5-10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-100 100-1500
20
40
60
80
100Differenciális hányad (%) Kumulált hányad (%)
Mérettartomány (µm)
Térfo
gath
ánya
d (%
)
Átlagos szemcseméret: 31 µm
15
Ajkai vörösiszapok morfológiája
Primer szemcseméret: 130 -150 nmFajlagos felület: 15 m2g-1 átlagméret 125 nm
A vörösiszap nanoanyag
SEM TEM
16
Tömbi és felületi összetétel
Alkotó Tömbi (m/m %) Felületi (m/m %) Felületi/tömbi
Fe 25,9 26,6 1,03
Si 9,3 5,6 0,60
Al 7,6 12,6 1,66
Na 3,6 4,9 1,36
Ti 2,3 4,2 1,83
Felületen nátrium-aluminát (NaAlO2) és nátrium-titanát (Na2TiO3)
Primer szemcsék stabilis agglomerátumokat alkotnak
17
NÁTRIUM-TARTALOM JELENTŐSÉGEJellemző érték 3-5%
18
Miért fontos a vörösiszap Na2O-tartalma?
• Technológia és gazdaságosság– Na2O veszteség
• Tárolás és környezetvédelem– Magas pH környezeti kockázat
• Hasznosítás és feldolgozás– Na2O-tartalom gátolja
Technológia
FeldolgozásLerakás
Na2O
19
Hogyan csökkenthető a Na2O-tartalom?
• Oldatban levő (szabad) Na2O– Tárolás előtt: elválasztás, visszavezetés
– Tárolás közben: ülepítés, elválasztás, semlegesítés (pl. CO2)
• Pórusokban levő Na2O– Tárolás közben: hígítás / semlegesítés
– Pufferhatás miatt nehezen csökkenthető a pH
• Kémiailag kötött Na2O– Kémiai átalakításokkal
– Biotechnológiai módszerekkel
Bony
olul
t fel
adat
20
Újszerű kezelési megoldások
• Vákuum dobszűrők száraz lerakás
• Szűrés hipernyomású gőzzel folyadékok és sók eltávolítása
21
VÖRÖSISZAPOK TÁROLÁSA
22
Tárolási lehetőségek
Tárolási módszer• Kiadagolás tengervízbe
• Nedves tárolás
• Száraz felrakás
• Száraz tárolás
Lerakott vörösiszap• Mosott, szűrt• Szárazanyag: 30-40% • Mosott, szűrt• Szárazanyag: 30-40% • Pasztaszerű, tixotróp• Szárazanyag: 48-55%• Száraz lepény• Szárazanyag: >65%
23
ALCOA: száraz felrakás
24
Nemzetközi tendenciák
Nedves tárolás
1965 1975 1985 2007
Tengerbe öntés
Ismeretlen
Száraz tárolás
20%
40%
60%
80%
100%
Forrás: CSIRO Document DMR-3608, May 2009.
A világ timföldtermelésének 2007-ben 44%-át adó 17 üzem adatai
25
Száraz tárolás mozgatórugói
• Tárolás helyigényének csökkentése• Környezeti hatások minimalizálása
– Lúgos oldat kiömlés elkerülése• Lúgveszteség csökkentése, visszavezetés
26
Tárolás: további K+F igény
• Száraz tárolási módszerek tökéletesítése– Nedvességtartalom csökkentése <30%– Nedvességtartalom csökkentése <20%– Megbízható, nyilvános adatbázis a módszerekről
• A rehabilitáció javítása– Fő akadály: bauxitmaradék nagy lúgossága– Lúgosságkomplex folyadék és szilárdfázisú folyamatok– Cél: e folyamatok jobb megértése– Maradék semlegesítésekémiai és technológiai kutatások
27
LEGFONTOSABB HAZAI TEENDŐKVörösiszapok tárolása
28
Hazai vörösiszap lerakók
Helyszín Lerakott mennyiség (Mt)
Bánvölgyi György számítása (Mt)*
Ajka 30 19
Almásfűzitő, Neszmély 12 9,7
Mosonmagyaróvár 8 6,4
Összesen 50 35,1
Pontos helyzetfelmérésre van szükségTározók biztonságos működtetése
Mennyiségek, összetételek, hozzáférhetőség
* Száraz anyagban számolva
29
Vörösiszap további tárolása Ajkán
• X. tározó helyreállítása (ellenőrzés!)• Új tározó kialakítása (ellenőrzés!)• Bauxitmaradék (vörösiszap) lúgmentesítése• Száraz tárolás
30
VÖRÖSISZAPOK HASZNOSÍTÁSA ÉS FELDOLGOZÁSA
31
A vörösiszap értékes másodnyersanyag … lehet
32
Hasznosítás: értékteremtés
Waste is waste if you waste it. Otherwise, it is resource.
Alapvető feladat
Műszaki megoldások kifejlesztése
(Költségek, kockázatok, feldolgozható mennyiségek, működési feltételek figyelembe vételével)
33
Vörösiszap hasznosítási lehetőségei
• Építőipar, vegyipar– Építőanyagok, mérnöki létesítmények– Adszorbensek, katalizátorhordozók– Kerámiák, üvegek, műanyagok, bevonatok, festékek
• Környezetvédelem és mezőgazdaság– Vízkezelés, hulladékkezelés– Gáztisztítás – Mezőgazdaság (adszorbens, nyomelem forrás)
34
Vörösiszap hasznosítási lehetőségei
• Kohászat– A főalkotók (Fe, Al) kinyerése– Acélgyártás, salakadalék– Kisebb koncentrációjú fémek (Ti, V, ritkafémek) kinyerése
35
Prioritások és feladatok
K+ F feladatok
K + F prioritások
Táro-lás
Rehabi-litáció
Értékteremtés
Építőipar, vegyipar
Körny.véd, mezőgazd. Kohászat
Adatbázis (K) Kémiai, fizikai alapok (K) Gyors megvalósítás (F+I) Bioremediáció (K+F+I) Ipari szinergizmus (K+F+I)
Forrás: CSIRO Document DMR-3611, May 2009.
K – kutatás, F – fejlesztés, I – ipari megvalósítás
36
Mi a feldolgozás lényege?
Fe2O3 SiO2 Al2O3Na2O TiO2 Ritkafémek
37
Mi a feldolgozás lényege?
Fe2O3 SiO2 Al2O3Na2O TiO2 Ritkafémek
38
Hol tart a világ?
• Intenzív K+F néhány országban– USA, India, Kína, Görögország …
• Sok közlemény és szabadalom• Sokféle megoldás• Különböző komplexitás• Különböző felhasználási területek• Nagyon kevés ipari megoldás
39
Hazai példa: komplex feldolgozás
Technológiai lépésTechnológiai változat
Bayer 1 2 3 4 5 6 7
40
Feldolgozás plazmatechnológiávalVörösiszap, szén, adalék
Csigás keverő
Elegytartály
Csigás adagoló
Plazmakemence
Fém és salak
Mozgatható katód
Anód
UtóégetőHűtőkamra
Porleválasztó
Véggáz
Előzetes megvalósíthatósági tanulmány 50.000 t/év kapacitásra
41
Vörösiszap hasznosítás: hazai feladatok
• Hasznosítási / feldolgozási lehetőségek értékelése• Országos/nemzetközi program indítása• Hasznosítási eljárások bevezetése • Állami szerepvállalás + magántőke bevonása