Revestimiento de ollas gastado

El revestimiento de cuba usado (SPL, por sus siglas en inglés) es un material de desecho generado en la industria de la fundición primaria de aluminio . También se le conoce como revestimiento de cuba usado o revestimiento de celda usado.

La fundición primaria de aluminio es el proceso de extracción de aluminio a partir de óxido de aluminio (también conocido como alúmina). Este proceso se lleva a cabo en celdas electrolíticas denominadas crisoles. Los crisoles están formados 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, diversas sustancias, como el aluminio y los fluoruros, son absorbidas por el revestimiento. Tras varios años de funcionamiento, el revestimiento se deteriora y se retira. El material retirado se denomina revestimiento gastado (SPL, por sus siglas en inglés). El SPL fue catalogado como residuo peligroso por la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos en 1988. [ 1 ^{] Las propiedades} peligrosas del SPL son:

• Compuestos tóxicos de fluoruro y cianuro que se pueden filtrar en el agua.
• Corrosivo: presenta un pH elevado debido a la presencia de metales alcalinos y óxidos.
• Reactivo con el agua, produciendo gases inflamables, tóxicos y explosivos. ^{[ 2 ]}

La naturaleza tóxica, corrosiva y reactiva del SPL implica que se debe tener especial cuidado en su manipulación, transporte y almacenamiento. ^{[ 2 ]} El SPL proveniente de los cátodos de las 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 debido a su contenido de fluoruro y energía. ^{[ 3 ]}

La mayor parte de los lixiviados de aluminio (SPL) se almacenan actualmente en las plantas de fundición de aluminio o en vertederos . Los fluoruros y cianuros disueltos de los SPL que se depositan en los 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 estas soluciones son costosas y pueden generar problemas imprevistos en el futuro. ^{[ 4 ]}

La producción de aluminio primario mediante el proceso Hall-Héroult implica la reducción electrolítica de alúmina en celdas o crisoles. El electrolito se compone de criolita fundida y otros aditivos. Este electrolito se encuentra dentro de un revestimiento de carbono y refractario en una carcasa de acero. Los crisoles suelen tener una vida útil de 2 a 6 años. Finalmente, la celda falla y el revestimiento (SPL) se retira y se reemplaza. El SPL generado está catalogado como residuo peligroso por diversos organismos ambientales. ^{[ 5 ]} Debido a las concentraciones de fluoruros y cianuros en el revestimiento de tinas usado y la tendencia a lixiviar en contacto con el agua, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (USEPA) incluyó los materiales el 13 de septiembre de 1988 (53 Fed. Reg. 35412) como un residuo peligroso (K088) bajo 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 ]} A medida que las agencias de regulación ambiental en un número creciente de países definen el SPL como un material peligroso, los costos de eliminación pueden fácilmente llegar a más de $1000 por tonelada de SPL. ^{[ 8 ]} La producción mundial de aluminio primario fue de 67 millones de toneladas en 2021. ^{[ 9 ]} Las fundiciones de aluminio del mundo también producen alrededor de 1,6 millones de toneladas de residuos tóxicos de SPL. ^{[ 10 ]} La práctica industrial anterior ha sido depositar estos residuos en vertederos. Esto debe cambiar si la industria del aluminio quiere afirmar un grado razonable de sostenibilidad y emisiones ambientalmente tolerables. ^{[ 11 ]} El vertido de SPL sin reaccionar se considera una práctica del pasado. ^{[ 12 ]}

La composición del SPL varía según factores 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 del SPL para tres tecnologías diferentes se muestra en la siguiente tabla. ^{[ 2 ]}

SPL es peligroso debido a:

• Toxicidad derivada de compuestos de fluoruro y cianuro que se lixivian en el agua.
• Corrosivo: presenta un pH elevado debido a la presencia de metales alcalinos y 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. ^{[ 13 ]}

Los fluoruros lixiviables en SPL provienen de la criolita (Na ₃ AlF ₆ ) y del 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, el nitrógeno reacciona con el sodio y el carbono según la ecuación:

1,5N ₂ + 3Na + 3C → 3NaCN. ^{[ 14 ]}

El carburo de aluminio se forma en el revestimiento de la cuba a partir de la reacción del aluminio y el carbono según la ecuación:

4Al + 3C → Al _{4C 3} . ^{[ 15 ]}

El nitruro de aluminio se forma a partir de una serie de reacciones, incluida la reacción de la criolita con nitrógeno y sodio según la ecuación:

Na ₃ AlF ₆ + 0,5N ₂ + 3Na → AlN + 6NaF ^{[ 16 ]}

Los gases se generan a partir de reacciones del agua con compuestos como aluminio no oxidado, sodio metálico no oxidado, carburo de aluminio y nitruro de aluminio. Los gases típicos de la reacción de SPL con agua son:

• Hidrógeno a partir de _aluminio y agua: 2Al + _3H₂O → _3H₂ + _Al₂O₃
• Hidrógeno a partir de sodio metálico y agua: 2Na + 2H₂O _→ H₂ ₊ 2NaOH
• Metano a partir de _carburo de _aluminio y agua: _{Al₄C₃ +} 6H₂O → _3CH₄ + _2Al₂O₃
• Amoníaco a partir de nitruro de aluminio y agua – 2AlN + 3H ₂ 0 → 2NH ₃ + Al ₂ O ₃ n ^{[ 17 ]}

Varios estudios de investigación ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} incluyeron pruebas biológicas para evaluar la toxicidad del SPL en plantas y humanos. El aluminio, el cianuro y las sales de fluoruro se identificaron como los principales agentes tóxicos en el SPL. El potencial genotóxico del SPL y sus principales componentes químicos se evaluó en células vegetales y humanas. Los efectos observados en las células vegetales incluyeron una reducción en el índice mitótico y un aumento en la frecuencia de alteraciones cromosómicas . El fluoruro fue el principal componente genotóxico para los leucocitos humanos .

Los efectos observados inducidos por el SPL sugieren su potencial mutagénico en células vegetales y animales, lo que confirma su toxicidad para el medio ambiente y los seres humanos.

Los estudios recomiendan sistemáticamente que las medidas de manipulación y la eliminación adecuada de los SPL son extremadamente importantes e indispensables para evitar su dispersión en el medio ambiente, y que el almacenamiento y la eliminación de los SPL deben supervisarse de cerca para reducir el riesgo.

Las prácticas anteriores para el tratamiento de los revestimientos de tinas usadas (SPL, por sus siglas en inglés) incluían su vertido en ríos o en el mar, o su almacenamiento en vertederos a cielo abierto. Estos métodos no son ambientalmente aceptables debido a la lixiviación de cianuros y fluoruros. Más recientemente, los SPL se han almacenado en vertederos seguros donde se colocan sobre una base impermeable y se cubren con una tapa impermeable. ^{[ 5 ]} La cantidad de información detallada disponible sobre la calidad del percolado de los vertederos de SPL existentes es muy limitada. ^{[ 22 ]}

Un problema particular relacionado con los SPL en los vertederos son las responsabilidades a largo plazo que resultan de la limitada vida útil de los vertederos según la tecnología actual, en comparación con las propiedades contaminantes de larga duración de los SPL.

Lee y Jones-Lee describen la evolución y los aspectos técnicos del relleno sanitario en seco y por qué lo consideran una tecnología con graves deficiencias, citando problemas como:

• eventual fallo de los sistemas de revestimiento compuesto
• Fallo de los sistemas de cobertura para evitar la entrada de agua
• baja probabilidad de que los sistemas de monitoreo de aguas subterráneas detecten lixiviados contaminados
• financiación y gestión inadecuadas tras el cierre. ^{[ 23 ]}

Un estudio de 2004 sobre un vertedero que contenía SPL ubicado en América del Norte identificó cuatro especies químicas como contaminantes prioritarios: cianuro, fluoruro, hierro y aluminio. Se utilizaron la evaluación del ciclo de vida y el modelado del transporte de aguas subterráneas para comprender la situación, identificando problemas ambientales e impactos potenciales ecotoxicológicos significativos . El estudio observó que, si bien se asumió que el confinamiento del suelo y los desechos era perfecto, de hecho estos sitios podrían convertirse en fuentes de contaminación. El estudio afirma 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. ^{[ 24 ]} La principal objeción al tipo de disposición sellada es que requerirá monitoreo indefinido. Por lo tanto, existe una necesidad real de encontrar alternativas seguras y aceptables a la disposición en vertederos. ^{[ 25 ]}

Los anteriores propietarios vertieron SPL en un depósito de residuos sin revestimiento en la fundición de Kurri Kurri en Australia, lo que provocó la contaminación del acuífero subterráneo local con altos niveles de fluoruro, cianuro, sulfato de sodio y cloruro. ^{[ 26 ]}

Una acción provisional llevada a cabo en virtud de la Orden de Acuerdo n.º 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, de material de la zona SPL y suelo contaminado asociado en un antiguo emplazamiento de una fundición de aluminio. El contexto de esta situación es que, entre 1941 y 1947, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos construyó y operó una fundición de aluminio en el sitio. En 1947, Kaiser Aluminum & Chemical Corporation (Kaiser Aluminum) adquirió el sitio y operó la planta de producción de aluminio hasta 2001. En 2002, Kaiser Aluminum cerró la planta y, en 2003, el Puerto de Tacoma compró la propiedad de la fundición a Kaiser Aluminum para su reurbanización. ^{[ 27 ]}

Se han propuesto varias alternativas para el tratamiento de la SPL. Estas alternativas se pueden clasificar de la siguiente manera:

• técnicas de eliminación en las que la totalidad o parte de la SPL se destruye o es utilizada por otra industria, incluyendo:
  • combustión para la generación de energía
  • Aditivos de escoria en la industria siderúrgica
  • Suplemento de combustible y minerales en la fabricación de cemento
  • industria del ladrillo rojo
  • conversión a materiales inertes de vertedero
• Técnicas de recuperación o reciclaje en las que parte del SPL puede recuperarse para su uso en la fundición de aluminio primario:
  • recuperación de fluoruro a partir de procesos de lixiviación
  • pirohidrólisis
  • pirosulfólisis
  • silicopirólisis
  • recuperación de grafito
  • aditivos de carbono para cátodos
  • aditivos de carbono para ánodos
  • recuperación selectiva de aluminio. ^{[ 28 ]}

El reciclaje a través de otras industrias es una opción atractiva y probada; sin embargo, la clasificación del SPL como residuo peligroso ha desalentado en gran medida a otras industrias a utilizarlo, debido a las onerosas y costosas regulaciones ambientales. ^{[ 6 ] [ 17 ]} La Comisión de Control de la Contaminación y Ecología de Arkansas señaló que el SPL tratado utilizado para la construcción de carreteras se recuperó y se colocó en un vertedero seguro. ^{[ 29 ]}

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