El lodo rojo , ahora más frecuentemente denominado residuo de bauxita , es un residuo industrial generado durante el procesamiento de bauxita en alúmina mediante el proceso Bayer . Está compuesto de varios compuestos de óxido , incluidos los óxidos de hierro que le dan su color rojo. Más del 97% de la alúmina producida a nivel mundial se realiza mediante el proceso Bayer; por cada tonelada (2200 lb) de alúmina producida, también se producen aproximadamente entre 1 y 1,5 toneladas (2200 a 3300 lb) de lodo rojo; el promedio mundial es de 1,23. La producción anual de alúmina en 2023 fue de más de 142 millones de toneladas (310 mil millones de libras), lo que resultó en la generación de aproximadamente 170 millones de toneladas (370 mil millones de libras) de lodo rojo. [1]
Debido a este alto nivel de producción y a la alta alcalinidad del material , si no se almacena adecuadamente, puede suponer un riesgo medioambiental importante. Por ello, se están invirtiendo importantes esfuerzos en encontrar mejores métodos de almacenamiento seguro y de tratamiento de los residuos, como la valorización de los mismos, con el fin de crear materiales útiles para el cemento y el hormigón . [2]
Con menor frecuencia, este material también se conoce como relaves de bauxita , lodos rojos o residuos de refinería de alúmina . Cada vez se adopta más el nombre de bauxita procesada , especialmente cuando se utiliza en aplicaciones de cemento.
El lodo rojo es un subproducto del proceso Bayer, el principal medio de refinación de la bauxita en el camino hacia la alúmina. La alúmina resultante es la materia prima para producir aluminio mediante el proceso Hall-Héroult . [3] Una planta de bauxita típica produce entre una y dos veces más lodo rojo que alúmina. Esta proporción depende del tipo de bauxita utilizada en el proceso de refinación y de las condiciones de extracción. [4]
Más de 60 operaciones de fabricación en todo el mundo utilizan el proceso Bayer para producir alúmina a partir de mineral de bauxita. [ cita requerida ] El mineral de bauxita se extrae, normalmente en minas a cielo abierto , y se transfiere a una refinería de alúmina para su procesamiento. La alúmina se extrae utilizando hidróxido de sodio en condiciones de alta temperatura y presión. La parte insoluble de la bauxita (el residuo) se elimina, dando lugar a una solución de aluminato de sodio , que luego se siembra con un cristal de hidróxido de aluminio y se deja enfriar, lo que hace que el hidróxido de aluminio restante precipite de la solución. Parte del hidróxido de aluminio se utiliza para sembrar el siguiente lote, mientras que el resto se calcina (calienta) a más de 1000 °C (1830 °F) en hornos rotatorios o calcinadores instantáneos de fluido para producir óxido de aluminio (alúmina).
El contenido de alúmina de la bauxita utilizada normalmente oscila entre el 42 y el 50%, pero se pueden utilizar minerales con un amplio rango de contenidos de alúmina. El compuesto de aluminio puede estar presente en forma de gibbsita (Al(OH) 3 ), boehmita (γ-AlO(OH)) o diáspora (α-AlO(OH)). El residuo tiene invariablemente una alta concentración de óxido de hierro que le da al producto un color rojo característico. Una pequeña cantidad residual del hidróxido de sodio utilizado en el proceso permanece con el residuo, lo que hace que el material tenga un pH/alcalinidad elevados, normalmente superiores a 12. Varias etapas de los procesos de separación sólido/líquido reciclan la mayor cantidad posible de hidróxido de sodio del residuo en el Proceso Bayer, con el fin de reducir los costos de producción y hacer que el proceso sea lo más eficiente posible. Esto también reduce la alcalinidad final del residuo, lo que hace que sea más fácil y seguro de manipular y almacenar.
El lodo rojo está compuesto por una mezcla de óxidos sólidos y metálicos . El color rojo surge de los óxidos de hierro , que pueden comprender hasta el 60% de la masa. El lodo es altamente básico con un pH que varía de 10 a 13. [3] [4] [5] Además del hierro, los otros componentes dominantes incluyen sílice , compuestos de aluminio residuales no lixiviados y óxido de titanio . [6]
Los principales componentes del residuo después de la extracción del componente de aluminio son óxidos metálicos insolubles. El porcentaje de estos óxidos producidos por una refinería de alúmina en particular dependerá de la calidad y la naturaleza del mineral de bauxita y de las condiciones de extracción. La siguiente tabla muestra los rangos de composición de los componentes químicos comunes, pero los valores varían ampliamente:
Expresados mineralógicamente los componentes presentes son:
En general, la composición del residuo refleja la de los componentes que no son de aluminio, con excepción de parte del componente de silicio: la sílice cristalina (cuarzo) no reaccionará, pero parte de la sílice presente, a menudo denominada sílice reactiva, reaccionará en las condiciones de extracción y formará silicato de sodio y aluminio, así como otros compuestos relacionados.
La descarga de lodo rojo puede ser peligrosa para el medio ambiente debido a su alcalinidad y a los componentes de las especies.
Hasta 1972, la empresa italiana Montedison vertía lodo rojo en las costas de Córcega . [7] El caso es importante en el derecho internacional que rige el mar Mediterráneo . [8]
En octubre de 2010, aproximadamente un millón de metros cúbicos (35 millones de pies cúbicos) de lodo rojo de una planta de alúmina cerca de Kolontár en Hungría se liberaron accidentalmente en el campo circundante en el accidente de la planta de alúmina de Ajka , matando a diez personas y contaminando una gran área. [9] Se dijo que toda la vida en el río Marcal había sido "extinguida" por el lodo rojo, y en cuestión de días el lodo había llegado al Danubio . [10] Los efectos ambientales a largo plazo del derrame han sido menores después de un esfuerzo de remediación de 127 millones de euros por parte del gobierno húngaro. [11]
Los métodos de almacenamiento de residuos han cambiado sustancialmente desde que se construyeron las plantas originales. La práctica en los primeros años era bombear el lodo, con una concentración de alrededor del 20% de sólidos, a lagunas o estanques creados a veces en antiguas minas de bauxita o canteras agotadas. En otros casos, se construían embalses con presas o diques , mientras que para algunas operaciones se represaban valles y los residuos se depositaban en estas áreas de almacenamiento. [12]
Antes era una práctica común verter el lodo rojo en ríos, estuarios o el mar a través de tuberías o barcazas; en otros casos, el residuo se enviaba al mar y se eliminaba en fosas oceánicas profundas a muchos kilómetros de la costa. A partir de 2016, se suspendió todo vertido en el mar, los estuarios y los ríos. [13]
A medida que se agotó el espacio de almacenamiento de residuos y aumentó la preocupación por el almacenamiento húmedo, desde mediados de la década de 1980 se adoptó cada vez más el apilamiento en seco. [14] [15] [16] [17] En este método, los residuos se espesan hasta formar una suspensión de alta densidad (48-55 % de sólidos o más) y luego se depositan de manera que se consoliden y se sequen. [18]
Un proceso de tratamiento cada vez más popular es la filtración, mediante la cual se produce una torta de filtración (que normalmente produce entre un 23 y un 27 % de humedad). Esta torta se puede lavar con agua o vapor para reducir la alcalinidad antes de transportarla y almacenarla como material semiseco. [19] El residuo producido de esta forma es ideal para su reutilización, ya que tiene una alcalinidad menor, es más barato de transportar y es más fácil de manipular y procesar. Otra opción para garantizar un almacenamiento seguro es utilizar anfiroles para deshidratar el material una vez depositado y luego "acondicionarlo" utilizando equipos agrícolas como gradas para acelerar la carbonatación y, de ese modo, reducir la alcalinidad. Los residuos de bauxita producidos después de la filtración por prensa y el "acondicionamiento" descritos anteriormente se clasifican como no peligrosos según la Directiva Marco de Residuos de la UE.
En 2013, Vedanta Aluminium , Ltd. puso en funcionamiento una unidad de producción de polvo de lodo rojo en su refinería de Lanjigarh en Odisha , India , describiéndola como la primera de su tipo en la industria de la alúmina, que aborda importantes riesgos ambientales. [20]
Desde que el proceso Bayer se adoptó industrialmente por primera vez en 1894, se ha reconocido el valor de los óxidos restantes. Se han hecho intentos para recuperar los componentes principales, especialmente los óxidos de hierro . Desde que comenzó la minería de bauxita , se ha dedicado una gran cantidad de esfuerzo de investigación a buscar usos para el residuo. Actualmente, la Unión Europea financia muchos estudios en el marco del programa Horizonte Europa . [ cita requerida ] Se han realizado varios estudios para desarrollar usos del lodo rojo. [21] Se estima que anualmente se utilizan entre 3 y 4 millones de toneladas (6,6 a 8,8 mil millones de libras) en la producción de cemento, [22] construcción de carreteras [23] y como fuente de hierro. [3] [4] [5] Las aplicaciones potenciales incluyen la producción de hormigón de bajo costo, [24] aplicación a suelos arenosos para mejorar el ciclo del fósforo , mejora de la acidez del suelo , tapado de vertederos y secuestro de carbono . [25] [26]
Se han investigado y documentado ampliamente las revisiones que describen el uso actual de residuos de bauxita en el clínker de cemento Portland , materiales cementantes suplementarios/cementos mezclados y cementos especiales de aluminato de calcio (CAC) y cementos de sulfoaluminato de calcio (CSA). [27]
En 2015, se lanzó una importante iniciativa en Europa con fondos de la Unión Europea para abordar la valorización del lodo rojo. Se reclutaron unos 15 estudiantes de doctorado como parte de la Red Europea de Capacitación (ETN) para la Valorización de Residuos Cero de Bauxita. [32] El enfoque clave será la recuperación de hierro, aluminio, titanio y elementos de tierras raras (incluido el escandio ) mientras se valorizan los residuos en materiales de construcción. Se ha formado una Asociación Europea de Innovación para explorar opciones para usar subproductos de la industria del aluminio, BRAVO (Operaciones de Valorización de Aluminio y Residuos de Bauxita). Esto buscó reunir a la industria con investigadores y partes interesadas para explorar las mejores tecnologías disponibles para recuperar materias primas críticas, pero no se ha llevado a cabo. Además, se ha asignado una financiación de la UE de aproximadamente € 11,5 millones a un programa de cuatro años que comienza en mayo de 2018 que analiza los usos de los residuos de bauxita con otros desechos, RemovAL. Un enfoque particular de este proyecto es la instalación de plantas piloto para evaluar algunas de las tecnologías interesantes de estudios de laboratorio anteriores. Como parte del proyecto H2020 RemovAl, está previsto construir una casa en la zona de Aspra Spitia (Grecia) que estará hecha íntegramente con materiales procedentes de residuos de bauxita.
Otros proyectos financiados por la UE que han involucrado la recuperación de residuos y desechos de bauxita han sido ENEXAL (ENergy-EXergy of ALuminium industry) [2010-2014], EURARE (European Rare earth resources) [2013-2017] y tres proyectos más recientes son ENSUREAL (ENsuring SUstainable ALumina production) [2017-2021], SIDEREWIN (Sustainable Electro-winning of Iron) [2017-2022] y SCALE (SCandium – ALuminium in Europe) [2016-2020] un proyecto de 7 millones de euros para estudiar la recuperación de escandio de los residuos de bauxita.
En 2020, el Instituto Internacional del Aluminio lanzó una hoja de ruta para maximizar el uso de residuos de bauxita en cemento y hormigón. [33] [34]
En noviembre de 2020 se puso en marcha el proyecto de investigación ReActiv: Activación de residuos industriales para la producción sostenible de cemento, financiado por la UE. Una de las mayores empresas cementeras del mundo, Holcim , en colaboración con 20 socios de 12 países europeos, puso en marcha el ambicioso proyecto ReActiv de 4 años (reactivproject.eu). El proyecto ReActiv creará una novedosa cadena de valor simbiótica sostenible, que vinculará el subproducto de la industria de producción de alúmina y la industria de producción de cemento. En ReActiv se realizarán modificaciones tanto en la producción de alúmina como en la producción de cemento de la cadena, con el fin de vincularlas a través de las nuevas tecnologías ReActiv. Estas últimas modificarán las propiedades del residuo industrial, transformándolo en un material reactivo (con actividad puzolánica o hidráulica) adecuado para nuevos productos de cemento con baja huella de CO2 . De esta manera, ReActiv propone un escenario en el que todos ganan para ambos sectores industriales (reduciendo los residuos y las emisiones de CO2 respectivamente ).
Fluorchemie GmbH ha desarrollado un nuevo aditivo retardante de llama a partir de residuos de bauxita. El producto se denomina MKRS (lodo rojo recarbonizado modificado) con la marca registrada ALFERROCK® y tiene una posible aplicación en una amplia gama de polímeros (PCT WO2014/000014). Uno de sus beneficios particulares es la capacidad de funcionar en un rango de temperaturas mucho más amplio, 220–350 °C (428–662 °F), que los retardantes de llama inorgánicos alternativos sin halógenos, como el hidróxido de aluminio, la boehmita o el hidróxido de magnesio . Además de los sistemas de polímeros en los que se puede utilizar hidróxido de aluminio o hidróxido de magnesio, también se ha demostrado que es eficaz en polímeros espumados como EPS y espumas de PUR en cargas de hasta el 60%.
En una forma sólida compacta adecuada, con una densidad de aproximadamente 3,93 gramos por centímetro cúbico (0,142 lb/cu in), se ha descubierto que el ALFERROCK producido mediante la calcinación de residuos de bauxita es muy eficaz como medio de almacenamiento de energía térmica (WO2017/157664). El material se puede calentar y enfriar repetidamente sin deteriorarse y tiene una capacidad térmica específica en el rango de 0,6 – 0,8 kJ/(kg·K) a 20 °C (68 °F) y 0,9 – 1,3 kJ/(kg·K) a 726 °C (1339 °F); esto permite que el material funcione de manera efectiva en dispositivos de almacenamiento de energía para maximizar los beneficios de la energía solar, las turbinas eólicas y los sistemas hidroeléctricos. Se han desarrollado geopolímeros de alta resistencia a partir de lodo rojo. [35]
Enfoque sostenible para el procesamiento de bauxita de baja calidad
El proceso IB2 es una tecnología francesa desarrollada para mejorar la extracción de alúmina de la bauxita, especialmente de la bauxita de baja calidad. Este método tiene como objetivo aumentar la eficiencia de la producción de alúmina y, al mismo tiempo, reducir los impactos ambientales típicamente asociados con este proceso, en particular la generación de lodos rojos y emisiones de dióxido de carbono.
La tecnología IB2, patentada en 2019, [36] es el resultado de una década de investigación y desarrollo por parte de Yves Occello, ex químico de Pechiney. Este proceso mejora el proceso tradicional de Bayer, que se ha utilizado durante más de un siglo para extraer alúmina de la bauxita. Presenta una disminución significativa en el consumo de sosa cáustica y una reducción notable en la producción de lodo rojo, minimizando así los residuos peligrosos y los riesgos ambientales.
Además de reducir la producción de lodo rojo, el proceso IB2 ayuda a reducir las emisiones de CO2 , principalmente a través del tratamiento optimizado de la bauxita de baja calidad. Al limitar la necesidad de importar bauxita de alta calidad, este proceso reduce la huella de carbono asociada con el transporte de mineral. Además, el proceso produce un subproducto que se puede utilizar en la producción de cementos ecológicos, lo que promueve el concepto de una economía circular. [37]
El inventor de la tecnología es el químico Yves Occello, quien fundó la empresa IB2 con Romain Girbal en 2017.
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