Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Tanszék, Alkalmazott Biotechnológia és Élelmiszertudományi Tanszék, Környezeti Mikrobiológia és Biotechnológia Kutatócsoport
- 10 TERMIKUS GYÁRTÁSFOLYAMATOKBÓL SZÁRMAZÓ HULLADÉKOK
- 10 02 vas- és acéliparból származó hulladékok
- 10 02 02 kezeletlen salak
A vaskohászatban a nagyolvasztómű után a következő technológiai egység az acélmű. Az acélműi salak az acélgyártás mellékterméke. Az acélgyártás során nyersvasból és acélhulladékból salakképző-, frissítő-, dezoxidáló- és ötvözőanyagok hozzáadásával folyékony acélt gyártanak. A technológia függvényében 3 fő acélgyártási salaktípust különböztethetünk meg: 1. konverter salak (konverteres eljárás salakja), 2. elektrosalak (elektroacélgyártás salakja), 3. üstmetallurgiai salak (üstmetallurgiai kezelés salakja).
1. A Linz-Donawitz konverteres eljárás váltakozó lángjárású regeneratív tüzelési rendszer. A módszer lehetővé teszi folyékony nyersvas és ócskavas felhasználását is. A gyártási folyamat két lépcsőből áll: egy frissítő (oxidáló) és egy kikészítő (redukáló) szakaszból (ahol az oxidálódott vas visszaredukálását végzik).
2. Elektroacélgyártás során az acélhulladékot olvasztják elektromosív-kemencében (EAF). Itt megtörténik a szén- és foszfortartalom csökkentése is. Az olvasztási folyamat végén eltávolítják a felszínen úszó salakot.
3. Üstmetallurgiai kezelés az előző két folyamatban keletkezett megolvasztott acél finomítására használt eljárás. A hevítőüstben (ladle furnace) grafitelektrodák között égő elektromos ivvel az acél hőmérsékletét kb. 1500 °C-ra növelik, kéntelenitenek, dezoxidálnak, készre őtvöznek, valamint beállítják az öntési hőmérsékletet. Nappjainkban a keletkezett salakok 90 %-át feldolgozzák, rendszeres minőség-ellenőrzés mellett. A korszerű kohászati technológia úgy van kialakítva, hogy nem csak a főtermék nyersvas és acél, hanem a salak minőségét is optimalizálják különböző kezelési eljárásokkal.
A salakok kémiai összetétele függ az eljárástól, az eljárás hatékonyságától és az eljárás során felhasznált anyagoktól. A különbözőség a mész, szilikát, foszfát és vastartalomban jelenik meg. A kezeletlen acélműi salak kőzetfizikai tulajdonságai megváltoznak hosszú tárolási idő alatt.
- Egyéb szervetlen vegyi anyagok
- kálcium
- Egyéb szervetlen vegyi anyagok
- kálcium
- Egyéb szervetlen vegyi anyagok
- szilícium
- Fémek, félfémek és vegyületeik
- alumínium
- Egyéb szervetlen vegyi anyagok
- magnézium
- Fémek, félfémek és vegyületeik
- vas
- Fémek, félfémek és vegyületeik
- mangán
- Egyéb szervetlen vegyi anyagok
- bárium
- Fémek, félfémek és vegyületeik
- mangán
- Egyéb szervetlen vegyi anyagok
- kén
- Fémek, félfémek és vegyületeik
- titán
- Radioaktív anyagok
- uránium
- Radioaktív anyagok
- tórium
- Radioaktív anyagok
- egyéb radioaktív anyag
Konverter salak {CaO: 48-54%; szabad CaO: 1-10%; SiO2: 11-18%; Al2O3: 1-4%; MgO: 1-4%; Fe(összes): 14-19%; Mn(összes): 1-4%}; Elektrosalak {CaO: 25-35%; szabad CaO: 0-4%; SiO2: 8-18%; Al2O3: 3-10%; MgO: 3-9%; Fe(összes): 20-30%; Mn(összes): 2-5%; BaO: 0,34% (2)}; Üstmetallurgiai salak {CaO: 30-52%; szabad CaO: 1-10%; SiO2: 8-23%; Al2O3: 3-20%; MgO: 6-12%; Fe(összes): 0,5-12%; Mn(összes): 0,5-3%}. Nagy mennyiségű CaO alkotja a salak fő tömegét, de nem önálló fázisként, hanem vegyületek formájában. A salak lehűlésekor kivált ásványi fázisoknak ugyanolyan nagy jelentőségük van, mint a kémiai összetételnek. A salakokra jellemző ásványtani vegyületek: dikálciumszilikát (2CaO·SiO2); trikalciumszilikát (3CaO·SiO2); dikalciumferrit (2CaO·Fe2O3); wüstit ((Ca, Fe, Mg, Mn)O; kalciumoxid (CaOszabad), periklas (MgOszabad).
Referencia: (1) http://www.kfki.hu/anyagokvilaga/tartalom/2011/1/markus.pdf Accessed 2012.05.21.; (2) Márkus Róbert (2009) Acélgyártási salakok környezetbar
Szervetlen anyagokból áll. Ca, Mg, Si, Fe és más elemtartalma bekerülhet a talaj szervetlen strukturális alkotóelemeibe, beépülhet oxidokban, hidroxidokba és agyagásványokba, a víz, a levegő, a többi talajösszetevő, valamint a biológiai rendszer hatására. A tápanyagként hasznosítható elemeket a növények és más élőlények felveszik, beépítik szervezetükbe.
pH: 11-13, Az (1) és (2) szerint meghatározott geotechnikai tulajdonságok: sűrűség: 3,3-3,6 g/cm^3^; belső súrlódási szög: 40-50 fok; CBR: max. 300; Los Angeles-aprózódás (ASTM C131): 20 – 25 %; porozitás: max. 3%; vízabszorpció: 0,2-2%; Mohs skála szerinti keménység: 6-7; Szabad CaO és MgO tartalma miatt évek múltán a nedvesség hatására a hidrát (MgOH: brucit) fázissá alakul át miközben térfogata is növekszik, tehát duzzadásra hajlamos. Ez okozza az ilyen adalékanyaggal készült megszilárdult beton tönkremenetelét. A folyamat a repedések okozta fajlagos felületnövekedés miatt egyre gyorsul (felületi reakció). A térfogatváltozási, duzzadási hajlamot a salak az ún. pihentetési idő alatt elveszti, a „pihentetett konvertersalak” már kiváló mechanikai tulajdonságai, nagy sűrűsége és kopásállósága miatt keresett alapanyagnak minősül. Referencia: (1) Lee, A.R.(1974) Blastfurnace and steel slag: production, properties and uses.Edward Arnold Ltd,. London. (2) Noureldin, A.
Környezetvédelemben: savas bányavíz semlegesítésére (1); mesterséges lápokban foszfát adszorbeálásra (2); szerves és szervetlen szennyezők kiszűrésére talajvízből (3); foszfor és foszfát eltávolítására talajból, talajvízből (4, 5); szén megkötésére CaCO3 gyártáshoz (6); Építőiparban: cementgyártás, beton adalék, aszfalt adalék, útalap töltés, útágyazat töltés, talaj fizikai stabilizálása; Egyéb: acélgyártás, műtrágyagyártás, szilárd hulladéklerakók lefedésére.
(1) Ziemkiewicz (1998) Steel Slag: Applications for AMD Control, Proceedings of the 1998 Conference on Hazardous Waste Research, Snowbird, Utah, May 18-21, pp.44-62. (2) Sakadevan and Bavor (1998). Phosphate adsorption characteristics of soils, slag and zeolite to be used as subtrates in constructed wetland systems. Water Research, Vol. 32, No.2, pp.393-399; (3) Cha, Kim and Choi (2006). Evaluation of steel slag for organic andinorganic removals in soil aquifer treatment. Water Research, Vol. 40, No.5, pp.1034-1042; (4) Drizo, Forget et al (2006). Phosphorus removal by electric arc furnace slag and serpentinite, Water Research, Vol. 40, No.8, pp. 1547-1554; (5) Xue, Hou, and Zhu (2009). Characteristics and mechanisms of phosphate adsorption onto basic oxygen furnace slag. J of Hazar Mater, Vol.162, No.2-3, pp. 973-980; (6) Huijgen et al Mineral CO2 sequestration by slag carbonation. Env Sci Tech, Vol. 34, No.24, pp. 9676-9672.
A US EPA TCLP (1) módszere alapján végzett kioldási kísérletek szerint a salakból kioldott fémek koncentrációja nem lépte túl az US EPA határértéket. Tehát a salakban található fémek erősen kötődnek a salak alapszövetéhez, olyannyira, hogy a savas környezet sem mobilizálja őket. Tehát a salak csurgaléka nem veszélyezteti a talajvizet. A salakok fémtartalmának Kd értéke nagyobb, mint az US EPA talajban levő fémek Kd értéke. Tehát a fémek kioldhatósága a salakból kisebb, mint a talajból. A pH növekedésével a fémek Kd értéke is növekszik, kivéve a Cr+6 és a Se, amely esetén a pH általában csökken, vagyis a kioldhatósága nő. Egyes vizsgálatokban (2) azonban a salak Cr^+6 és a Se Kd értéke nagyobb, mint az US EPA talajra megadott Kd értéke, ami jelzi az elemek erős kötődését a salak mátrixhoz.
Referenciák:
(1) Method 1311 Toxicity Characteristic Leaching Procedure (TCLP);40 CFR CH 1, 1991; (2) Proctor, D.M., Fehling, K.A., Shay, E.C., Wittenborn, J.L., Avent, C., Bigham R.D.,Connolly, M., Lee, B., Shepker, T.O., and Zak, M.A. (2000). Physical and chemical properties of blast furnace, basic oxygen furnace, and electric arc furnace steel industry slag, Env Sci and Techn. Vol. 34, No. 8, pp. 1576-1582.
Veszélyesség: összes fém- és nyomelemtartalom; a salak csurgalék bázikussága (pH 11-13), mállás miatti finom frakció kiporzása, bázikussága és nagy vezetőképessége miatt erősen korrodál, ezért támfalak, gátak, útalapok szerkezetében korrodálja a fémcsöveket, fémstruktúrákat (1); útalapba építve karbonizálhat (1), megköti a CO2-ot a levegőből, CaCO3 és MgCO3 képződik, ami eltömíti az út lefolyóit. A villamos ívkemence salakjának báriumtartalma vízoldható formában lehet jelen (2). Radioaktív elemeket tartalmazhat (3). Ref. (1) Yildirim et al(2009) Use of Steel Slag in Subgrade Applications. Publ. FHWA/IN/JTRP-2009/32. Joint Transp Rrch Progr, Indiana Dept of Transp and Purdue Univ doi: 10.5703/1288284314275; (2) Márkus R. (2009) Acélgyártási salakok környezetbarát hasznosítási lehetőségeinek.. Doktori ért. (PhD), Miskolci Egy, Műszaki Anyagt Kar,(3) M.N. Salagean, A.I. Pantelica,et al (1999) Neutron activ. analysis of some building mater, Czech. J. Phys. 49 (S1) 355–358
Ca, Mg, Si, Fe és más elemtartalom (1). Lúgossága miatt savas talajok (2) csurgalékok, bányavíz semlegesítésére. Referencia: (1) Wang X, Cai QS (2006) Steel slag as an iron fertilizer for corn growth and soil improvement in a pot experiment. Pedosphere 16:519–524; (2) L. Zhuo; H. Li; et al (2012) Co-remediation of cadmium-polluted soil using stainless steel slag and ammonium humate, Environ Sci Pollut Res, DOI 10.1007/s11356-012-0790-7
Foszfor
T. Yamamoto (2003) Release of phosphorus and silicon from steelmaking slag and their effects on growth of natural phytoplankton assemblages, Tetsu To Hagane Journal of the Iron and Steel Institute of Japan
Fe, Si
Wang X, Cai QS (2006) Steel slag as an iron fertilizer for corn growth and soil improvement in a pot experiment. Pedosphere 16:519–524
T. Yamamoto (2003) Release of phosphorus and silicon from steelmaking slag and their effects on growth of natural phytoplankton assemblages, Tetsu To Hagane Journal of the Iron and Steel Institute of Japan
Ca, Mg, Si, Fe és más elemtartalom miatt tápanyagpótlásra, például vashiányos mezőgazdasági talaj esetén (1). Az acélsalakból kioldódott szervetlen foszfor, vas és szilicium serkenti a tengeri fitoplankton (diatomák) növekedését (2).
Referencia:
(1) Wang X, Cai QS (2006) Steel slag as an iron fertilizer for corn growth and soil improvement in a pot experiment. Pedosphere 16:519–524
(2) T. Yamamoto (2003) Release of phosphorus and silicon from steelmaking slag and their effects on growth of natural phytoplankton assemblages, Tetsu To Hagane Journal of the Iron and Steel Institute of Japan
Ásványösszetétele miatt igen, azonban szerves anyag kiegészítést mindenképpen igényel.
Ca, Mg, Si, Fe, P elemtartalom
Ásványösszetétele miatt (2CaO.SiO2, 3CaO.SiO2, szabad CaO, MgO) vízzel érintkezve megszilárdul.
Ásványösszetétele miatt (2CaO.SiO2, 3CaO.SiO2, szabad CaO, MgO) vízzel érintkezve megszilárdul. Bizonyos koncentráció fölött, víz hatására a szabad CaO, MgO hidratál, ezért az anyag megduzzad (1), (3). A konverter salak 'pihentetési' időszaka után adalékanyagokkal (cement, erőműi pernye) használható fizikai stabilizálásra (2). Referenciák: (1) Huiting Shen, E. Forssberg (2003) An overview of recovery of metals from slags, Waste Management 23, 933–949;
(2) Altun I.A.; Yilmaz I.(2002) Study on steel furnace slags with MgO additive in Portland cement, Cement and Concrete Research, Vol. 32, No.8, pp. 1247-1249.
(3) Proctor, D.M., Fehling, K.A., Shay, E.C., Wittenborn, J.L., Avent, C., Bigham R.D.,Connolly, M., Lee, B., Shepker, T.O., and Zak, M.A. (2000). Physical and chemical properties of blast furnace, basic oxygen furnace, and electric arc furnace steel industry slag, Env Sci and Techn. Vol. 34, No. 8, pp. 1576-1582.
Ásványösszetétele miatt (2CaO.SiO2, 3CaO.SiO2, szabad CaO, MgO) vízzel érintkezve megszilárdul, ezért alkalmas lehet homoktalajok erősítésére, szilárdítására (1), (2).
Referencia: (1) Proctor, D.M., Fehling, K.A., Shay, E.C., Wittenborn, J.L., Avent, C., Bigham R.D.,Connolly, M., Lee, B., Shepker, T.O., and Zak, M.A. (2000). Physical and chemical properties of blast furnace, basic oxygen furnace, and electric arc furnace steel industry slag, Env Sci and Techn. Vol. 34, No. 8, pp. 1576-1582.
(2) Altun I.A.; Yilmaz I.(2002) Study on steel furnace slags with MgO additive in Portland cement, Cement and Concrete Research, Vol. 32, No.8, pp. 1247-1249. furnace, and electric arc furnace steel industry slag, Env Sci and Techn. Vol. 34, No. 8, pp. 1576-1582.
Működő szilárd hulladéklerakók napi hulladékfelületének letakarása ( eróziógátlás).
Huiting Shen, E. Forssberg (2003) An overview of recovery of metals from slags, Waste Management 23, 933–949
Lúgossága miatt. Ammonium humáttal keverve lecsökkenti a Cd-al szennyezett talaj összes és vízoldható Cd tartalmát, növeli a talaj pH-ját (1).
Referencia (1) L. Zhuo; H. Li; et al (2012) Co-remediation of cadmium-polluted soil using stainless steel slag and ammonium humate, Environ Sci Pollut Res, DOI 10.1007/s11356-012-0790-7
Porozitás, nagy fajlagos felszín, jó adszorpciós képesség. Adszorbeálja és kicsapja a fémoxidokat a salak felületén (1, 2). Ammonium humáttal keverve lecsökkenti a Cd-al szennyezett talaj összes és vízoldható Cd tartalmát, növeli a talaj pH-ját, szerves-anyagtartalmát és kationcsere képességét (3). P-oldattal itatva stabilizálja a Cu-t (4). Referencia: (1) Kim DH, Shin MC, Choia HD, et al(2008) Removal mechanisms of copper using steel-making slag: adsorption and precipitation. Desalination 223:283–289; (2) Liu SY, Gao J, Yang YJ et al (2010) Adsorption intrinsic kinetics and isotherms of lead ions on steel slag. J Hazard Mater 173:558–562; (3) Lin Zhuo; H. Li; et al (2012) Co-remediation of cadmium-polluted soil using stainless steel slag and ammonium humate, Environ Sci Pollut Res, DOI 10.1007/s11356-012-0790-7 (4) Negim O, Mench M et al (2012) In Situ Stabilization of Trace Metals in a Copper-Contaminated Soil using P-Spiked Linz-Donawitz Slag, Environmental Science and
Porozitás, nagy fajlagos felszín, jó adszorpciós képesség miatt használható reaktív résfal elemként.
James S. Smith (2003) Method for purifying contaminated groundwater using steel slag, Patent US6602421, http://www.google.com/patents/US6602421
Bár a salakok átlagos főkomponens összetétele nem különbözik salak fajtánként, a nyomelem tartalom nagymértékben változik, ezért a környezeti és humán egészségkockázatot salak típusonként kell felmérni (1). Az US EPA TCLP (2) módszere alapján végzett kioldási kísérletek szerint a kioldott fémek koncentrációja nem lépte túl az US EPA ivóvíz határértéket. Tehát a salakban található fémek erősen kötődnek a salak alapszövetéhez, olyannyira, hogy a savas környezet sem mobilizálja őket. A salak csurgaléka nem veszélyezteti a talajvizet. A salakban levő fémek biológiai hozzáférhetőségét kell megvizsgálni különösen a szájon és bőrön keresztüli expoziciós útvonalat. A kezeletlen salak nem térfogatálló, szabad CaO és MgO és a SiO2 miatt könnyen hidrát fázissá alakul, nő a térfogata. Hasonló problémát okoz a vasbomlás, ha a Fe > 3%. Ennek elkerülésére csak 'pihentetési idő' után alkalmazható. Radioaktív elemtartalma lehet, a salakképző anyagok miatt (mészkő, dolomit).