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使用済みポットライニング (SPL) は、一次アルミニウム製錬業界で生成される廃棄物です。使用済みポットライニングは、使用済みポットライナーや使用済みセルライナーとも呼ばれます。
一次アルミニウム製錬は、酸化アルミニウム（アルミナとも呼ばれる）からアルミニウムを抽出するプロセスです。このプロセスは、ポットと呼ばれる電解セルで行われます。ポットは、外側の絶縁または耐火ライニングと、電解セルの陰極として機能する内側のカーボンライニングの 2 つのライニングを備えたスチールシェルで構成されています。セルの動作中、アルミニウムやフッ化物などの物質がセルライニングに吸収されます。数年間の動作の後、ポットライニングは機能しなくなり、取り除かれます。取り除かれた材料は使用済みポットライニング（SPL）です。SPL は、1988 年に米国環境保護庁によって有害廃棄物としてリストされました。[1] SPL の危険な特性は次のとおりです。
- 水に溶け出す有毒なフッ化物とシアン化合物
- 腐食性 - アルカリ金属や酸化物によりpHが高くなる
- 水と反応し、可燃性、有毒、爆発性のガスを生成します。[2]
SPL は有毒、腐食性、反応性があるため、取り扱い、輸送、保管には特に注意が必要です。[2]アルミニウム還元セルのカソードから発生する SPL は、アルミニウム業界にとって大きな環境問題の一つになりつつあります。一方で、フッ化物とエネルギー含有量が多いため、回収の可能性も高いです。[3]
現在、SPLのほとんどはアルミニウム製錬所に保管されているか、埋め立て地に廃棄されています。埋め立て地に廃棄されたSPLから溶解したフッ化物やシアン化物は、他の浸出液とともに環境に影響を与える可能性があります。環境に安全な保管方法には、安全な埋立地や恒久的な貯蔵施設などがあります。しかし、環境に安全な解決策の多くは高価であり、将来予期せぬ問題が発生する可能性があります。[4]
背景
ホール・エルー法による一次アルミニウム金属の生産には、セルまたはポット内でのアルミナの電解還元が含まれます。電解液は、溶融氷晶石とその他の添加物から構成されます。電解液は、鋼鉄製のポットシェル内の炭素および耐火物のライニングに含まれています。ポットの寿命は通常 2 ～ 6 年です。最終的にセルが故障し、ポットライニング (SPL) が取り外されて交換されます。生成された SPL は、さまざまな環境団体によって有害廃棄物としてリストされています。[5] 使用済みポットライニング中のフッ化物とシアン化物の濃度、および水との接触による浸出の傾向のため、米国環境保護庁（USEPA）は1988年9月13日（53 Fed. Reg. 35412）にこれらの物質を40 CFR、パート261、サブパートDに基づく有害廃棄物（K088）としてリストしました。 [6] SPLの国際輸送は、有害廃棄物の国境を越える移動および処分に関するバーゼル条約の議定書の対象となります。 [7]ますます多くの国の環境規制機関がSPLを危険物と定義しているため、処分コストはSPL1トンあたり1000ドル以上に簡単に達する可能性があります。[8] 2021年の世界の一次アルミニウム生産量は6,700万トンでした。 [9]世界のアルミニウム製錬所はまた、約160万トンの有毒なSPL廃棄物を生産しています。[10]これまでの業界の慣行では、この廃棄物は埋め立て処分されていました。アルミニウム業界が持続可能性と環境的に許容できる排出を主張したいのであれば、この慣行を変えなければなりません。[11]反応していないSPLを埋め立て処分することは、過去の慣行と考えられています。[12]
SPLの化学的性質
SPLの構成は、使用されるアルミニウム製錬技術の種類、セルライニングの初期構成、解体手順などの要因に応じて異なります。3つの異なる技術におけるSPLの代表的な構成を次の表に示します。[2]
SPL が危険な理由:
- 水に浸出するフッ化物およびシアン化合物による毒性
- 腐食性 - アルカリ金属や酸化物によりpHが高くなる
- 水と反応して可燃性、有毒、爆発性のガスを発生する。[2]
SPLと水との反応による潜在的な結果の例として、貨物船の船倉内でSPLからの可燃性ガスが爆発し、作業員2名が死亡し、損害額は3,000万ドルと報告されている。[13]
SPL 中の浸出性フッ化物は、製錬工程でフラックスとして使用される 氷晶石(Na 3 AlF 6 ) とフッ化ナトリウム(NaF) に由来します。
シアン化合物は、空気中の窒素が他の物質と反応してポットライニングに形成されます。たとえば、窒素はナトリウムと炭素と反応して次の式に従います。
1.5N 2 + 3Na + 3C → 3NaCN。[14]
アルミニウム炭化物は、アルミニウムと炭素の反応によりポットライニング中に形成され、次の式で表されます。
4Al + 3C → Al 4 C 3 . [15]
窒化アルミニウムは、氷晶石と窒素およびナトリウムの反応を含むいくつかの反応から形成されます。
Na 3 AlF 6 + 0.5N 2 + 3Na → AlN + 6NaF [16]
ガスは、水と、酸化されていないアルミニウム、酸化されていない金属ナトリウム、炭化アルミニウム、窒化アルミニウムなどの化合物との反応によって生成されます。SPL と水の反応によって生成される典型的なガスは次のとおりです。
- アルミニウムと水からの水素– 2Al + 3H 2 0 → 3H 2 + Al 2 O 3
- 金属ナトリウムと水からの水素 – 2Na + 2H 2 0 → H 2 + 2NaOH
- 炭化アルミニウムと水からのメタン- Al 4 C 3 + 6H 2 0 → 3CH 4 + 2Al 2 O 3
- 窒化アルミニウムと水からのアンモニア– 2AlN + 3H 2 0 → 2NH 3 + Al 2 O 3 n [17]
SPLの毒性
多くの研究調査[18] [19] [20] [21]には、植物と人間に対するSPLの毒性を評価するための生物学的試験が含まれていました。アルミニウム、シアン化物、フッ化物塩がSPLの主な毒性物質として特定されました。SPLとその主な化学成分の遺伝毒性の可能性は、植物細胞と人間の細胞で評価されました。植物細胞で観察された影響には、有糸分裂指数の低下と染色体変化の頻度の増加が含まれていました。フッ化物は、ヒト白血球に対する主要な遺伝毒性成分でした。
SPL によって引き起こされる観察された影響は、植物および動物細胞に対する変異原性の可能性を示唆しており、環境および人間に対する SPL の有害性を裏付けています。
研究では一貫して、SPL の取り扱い対策と適切な廃棄は環境への拡散を防ぐために極めて重要かつ不可欠であり、リスクを軽減するために SPL の保管と廃棄を厳密に監視する必要があることが推奨されています。
埋立SPLに関する問題
使用済みポットライニング（SPL）の過去の処理方法としては、川や海に投棄したり、野積みや埋め立てに保管したりすることが挙げられます。これらの方法は、シアン化物やフッ化物の浸出性のため、環境上許容できません。最近では、SPLは不浸透性の土台の上に置かれ、不浸透性のキャップで覆われた安全な埋め立て地に保管されています。[5] 既存のSPL埋め立て地からの浸透水の品質に関する詳細な情報は非常に限られています。[22]
埋立地における SPL に関する特定の問題は、SPL の長期にわたる汚染特性と比較した場合、現在の技術に基づく埋立地の有効寿命が限られていることから生じる長期的な負債です。
リー氏とジョーンズ・リー氏は、「乾式埋立地」の進化と技術的側面について説明し、次のような問題を挙げながら、なぜこの技術が重大な欠陥を抱えていると考えているのかを述べています。
- 複合ライナーシステムの最終的な故障
- 水の浸入を防ぐカバーシステムの故障
- 地下水監視システムが汚染された浸出水を検知する可能性が低い
- 閉鎖後の資金と管理体制が不十分である。[23]
2004 年に北米にある SPL を含む埋立地で行われた調査では、シアン化物、フッ化物、鉄、アルミニウムの 4 つの化学種が優先汚染物質として特定されました。ライフサイクル アセスメントと地下水輸送モデリングを使用して、環境問題と重大な生態毒性の潜在的影響を特定し、状況を把握しました。この調査では、土壌と廃棄物の封じ込めは完璧であると想定されているものの、実際にはこれらの場所自体が汚染源になる可能性があることがわかりました。この調査では、長期封じ込めの質に関する懸念を考慮すると、最も有利な選択肢は SPL 画分の完全破壊であるとされています。[24]密閉型の処分に対する主な反対意見は、無期限に監視する必要があることです。したがって、埋立地処分に代わる安全で受け入れ可能な方法を見つけることが本当に必要です。[25]
SPLは以前の所有者によってオーストラリアのクリークリー製錬所の裏地のない廃棄物貯蔵庫に投棄され、その結果、地元の地下水帯水層が高濃度のフッ化物、シアン化物、硫酸ナトリウム、塩化物で汚染されました。[26]
タコマ港とワシントン州環境局の間で合意された命令番号 DE-5698 に基づいて実施された暫定措置は、古いアルミニウム製錬所の敷地における SPL ゾーン物質と関連する汚染土壌の掘削と敷地外処分による除去に対処するものである。この状況の背景には、1941 年から 1947 年にかけて米国国防総省が当該敷地にアルミニウム製錬所を建設し、運営していたことがある。1947 年、カイザー アルミニウム & ケミカル コーポレーション (カイザー アルミニウム) が当該敷地を購入し、2001 年までアルミニウム生産施設を運営した。2002 年、カイザー アルミニウムは工場を閉鎖し、2003 年、タコマ港は再開発のためにカイザー アルミニウムから製錬所の土地を購入した。[27]
SPL治療オプション
SPL の治療にはさまざまな代替法が提案されています。代替法は次のように分類できます。
- SPL の全部または一部が破壊されるか、または他の産業によって利用される廃棄方法には以下が含まれます。
- SPLの一部を回収して一次アルミニウム製錬に使用できる回収またはリサイクル技術：
他の産業を通じたリサイクルは魅力的で実績のある選択肢ですが、SPLが有害廃棄物として分類されているため、煩雑で費用のかかる環境規制のため、他の産業ではSPLの利用が大幅に妨げられています。[6] [17]アーカンソー州汚染管理・生態学委員会は、道路建設に使用された処理済みのSPLが回収され、安全な埋め立て地に置かれたと指摘しています。[29]
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