Vörösiszapok kezelése és hasznosítása

1. Vörösiszapok kezelése és hasznosítása Szépvölgyi János MTA Kémiai Kutatóközpont, Anyag- és Környezetkémiai Intézet szepvol@chemres.hu

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 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 • Bauxitőrlés • Kovasavtalanítás • Feltárás • Ülepítés

7. Technológia vs. tulajdonságok Technológiai lépés Tulajdonság változása Flokkulensek adagolása NaOH, NaAl(OH)4 visszanyerése Szilárdanyag-tartalom növelése További szűrési segédanyagok További mosás • Mosás • Szűrés, besűrítés

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, Na2OTiO2) • 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 Főalkotók Ritkafémek 7 kazettából gyűjtött 50 minta átlaga Forrás: PE – MTA KK AKI 2002

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) Veszélyes, vagy nem?

12. Ajkai vörösiszapok mellékalkotói 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 Átlagos szemcseméret: 31 µm

15. Ajkai vörösiszapok morfológiája SEM TEM Primer szemcseméret: 130 -150 nm Fajlagos felület: 15 m2g-1  átlagméret 125 nm A vörösiszap nanoanyag

16. Tömbi és felületi összetétel Felületen nátrium-aluminát (NaAlO2) és nátrium-titanát (Na2TiO3) Primer szemcsék stabilis agglomerátumokat alkotnak

17. Jellemző érték 3-5% nátrium-tartalom jelentősége

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 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 Bonyolult feladat

20. Újszerű kezelési megoldások • Vákuum dobszűrők  száraz lerakás • Szűrés hipernyomású gőzzel  folyadékok és sók eltávolítása

21. Vörösiszapok tárolása

22. Tárolási lehetőségek Tárolási módszer Lerakott vörösiszap Mosott, szűrt Szárazanyag: 30-40% Mosott, szűrt Szárazanyag: 30-40% Pasztaszerű, tixotróp Szárazanyag: 48-55% Száraz lepény Szárazanyag: >65% • Kiadagolás tengervízbe • Nedves tárolás • Száraz felrakás • Száraz tárolás

23. ALCOA: száraz felrakás

24. Nemzetközi tendenciák 100% Nedves tárolás Ismeretlen Száraz tárolás 80% 60% 40% 20% Tengerbe öntés 1965 1975 1985 2007 A világ timföldtermelésének 2007-ben 44%-át adó 17 üzem adatai Forrás: CSIRO Document DMR-3608, May 2009.

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 • Lúgosságkomplex folyadék és szilárdfázisú folyamatok • Cél: e folyamatok jobb megértése • Maradék semlegesítésekémiai és technológiai kutatások

27. Vörösiszapok tárolása Legfontosabb hazai teendők

28. Hazai vörösiszap lerakók * Száraz anyagban számolva Pontos helyzetfelmérésre van szükség Tározók biztonságos működtetése Mennyiségek, összetételek, hozzáférhetőség

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 wasteifyouwasteit. 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 – kutatás, F – fejlesztés, I – ipari megvalósítás Forrás: CSIRO DocumentDMR-3611, May 2009.

36. Mi a feldolgozás lényege?

37. Mi a feldolgozás lényege?

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

40. Feldolgozás plazmatechnológiával 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