< Terug naar vorige pagina

Project

Duurzaam gebruik van (gezuiverde) residus van mijnbouw in keramische toepassingen

Afvalstoffen moeten worden gezien als potentiële hulpbronnen, die kunnen helpen de druk op de primaire grondstoffensector en de afhankelijkheid van de externe markt binnen de Europese Unie te verminderen. Een materiaalpaspoort, waarin de volledige karakterisering en valorisatieroutes van (afval)materialen kunnen worden gegeven, is een must om over te schakelen op een meer circulaire aanpak binnen de grondstoffensector en meer industriële symbiose te stimuleren. Na bouw- en sloopafval wordt mijnbouw- en steengroeveafval beschouwd als de grootste afvalstroom in de Europese Unie. Sulfide houdende residuen van mijnen en afvalgesteenten vormen een groot probleem omdat zij zuur kunnen genereren (acid mine drainage - AMD) en aanzienlijke milieu-, gezondheids- en sociale risico's kunnen inhouden. Afgezien van de gevaarlijke metalen bevatten deze mijnafvalstoffen basismetalen, edele metalen en kritieke metalen die kunnen worden gebruikt in verschillende toepassingen van opkomende technologieën. Bovendien bevat de residuele minerale fractie van deze afvalstoffen van de mijnbouw meestal kwarts en kleimineralen die kunnen worden gebruikt binnen de keramische sector.

Het hoofddoel van dit onderzoek is de ontwikkeling van keramische bouwmaterialen als een hoogwaardige toepassing voor de (gereinigde) sulfidehoudende afvalstoffen van mijnbouw uit België (Plombières; inactieve Pb-Zn mijn), Duitsland (Freiberg; inactieve Cu-Zn-Pb mijn), en Portugal (Neves Corvo; actieve Cu-Zn mijn). Er werd een gedetailleerde fysische, chemische, mineralogische, thermische en milieu-karakterisering uitgevoerd van de gele tailings van Plombières (SUL_PL_62_I), de tailings van Freiberg (SUL_FR_01), het verse (SUL_NC_01) en opgeslagen (SUL_NC_03) afvalgesteente van Neves Corvo, en het behandelde verse (SUL_NC_01_CL_FLOT) en opgeslagen (SUL_NC_03_CL_FLOT) afvalgesteente van Neves Corvo. Deze afvalstoffen werden gebruikt als gedeeltelijke of volledige vervanging van primaire grondstoffen (5-40 gew%), zoals klei, zand of leem, in bedrijfsspecifieke mengsels voor dakpannen, binnenmuurstenen, straatbakstenen en gevelstenen. De proefstukken werden in het laboratorium gemaakt met vacuümextrusie (dakpannen en binnenmuurblokken) en door het handmatig persen in mallen (straatbakstenen en gevelstenen). Na het drogen in het lab of in een industriële drogerij, werden de proefstukken gebakken op 965°C (binnenmuurstenen), 985°C en 1000°C (dakpannen), 1060°C (gevelstenen), en 1130°C (straatbakstenen). De proefstukken werden beoordeeld op hun vormgevings-, droog- en bakgedrag, en op hun productkwaliteit (technisch, esthetisch en chemisch). Sommige van de proefstukken werden ook beoordeeld op hun conformiteit met de milieuregelgeving (uitloging van metal(loïden)) voor bouwmaterialen tijdens de levensduur (diffusieproef), de tweede levenscyclus (kolomproef), en voor het scenario op het einde van de levenscyclus (batch uitloogproef). Tenslotte werd een cradle-to-gate levenscyclusanalyse (LCA) uitgevoerd voor het best presterende gevelsteenmengsel om de totale milieu-impact van deze alternatieve gevelsteen te vergelijken met de standaard gevelsteen waarvoor primaire grondstoffen worden gebruikt.

Uit de resultaten bleek dat, van alle onderzochte mijnafvalstoffen, het gele tailings materiaal van Plombières (SUL_PL_62_I) rechtstreeks in keramische mengsels kan worden gebruikt, zonder enige voorbehandeling. Het kan primaire grondstoffen, zoals klei, zand of leem, geheel of gedeeltelijk vervangen in dakpannen (5 gew%), binnenmuurstenen (10 gew%), straatbakstenen (10 en 20 gew%), en gevelstenen (20 en 40 gew%). De proefstukken met de tailings van Plombières vertoonden niet alleen een algemeen bevredigend gedrag tijdens het vormen, drogen en bakken, maar ook een goede productkwaliteit en milieuprestatie rekening houdend met de levensduur, een tweede leven of een einde-levensduur-scenario. Bovendien bleek uit een cradle to gate levenscyclusanalyse dat het gebruik tot 40 gewichtsprocent tailings materiaal uit Plombières in een gevelsteenmengsel duidelijk milieuvoordelen oplevert. Hoge concentraties van de gele tailings in dakpannen (10 en 20 wt%) en in binnenmuurstenen (20 gew%), gaf aanleiding tot technische (hogere waterabsorptie en lagere E-modulus) en esthetische (efflorescentie) problemen. De straatbaksteen mengsels met het tailings materiaal uit Plombières (10 en 20 gew%) vertoonden iets betere technische eigenschappen (lagere waterabsorptie en hogere E-modulus sterkte) dan de standaard. De keramische mengsels voor dakpannen, binnenmuurstenen en straatbakstenen met het hoogste aandeel van het tailings materiaal van Plombières (20 gew%) bleken geschikt te zijn voor een tweede levensscenario waarbij tailings houdende bouwmaterialen kunnen worden gesloopt en gerecycleerd als aggregaat. Voor de gevelsteenmengsels met het tailings materiaal (20 en 40 gew%) werden vergelijkbare esthetische (geen efflorescentie en dezelfde bakkleur) en chemische (weinig oplosbare sulfaten en kationen) eigenschappen, en iets betere technische eigenschappen (lagere waterabsorptie en hogere E-modulus) verkregen in vergelijking met de standaard. Gevelstenen met het  tailings materiaal uit Plombières (40 wt%) voldeden aan de eisen voor de gebruiksfase (diffusietest), tweede leven (kolomtest) en einde levensduur voor storten als inert afval (batchtest), en vertoonden duidelijke milieuvoordelen, vooral op het gebied van gebruik van natuurlijke hulpbronnen, uitstoot van fijn stof, menselijke toxiciteit en ecotoxiciteit en eutrofiëring, rekening houdend met een cradle-to-gate levenscyclusbeoordeling.

Het onbehandelde Freiberg tailings materiaal (SUL_FR_01) en het vers (SUL_NC_01) en gestockeerde (SUL_NC_03) afvalgesteente van Neves Corvo werden verwerkt in mengsels voor dakpannen (5 gew%) en binnenmuurstenen (10 gew%). Ondanks verbetering van de technische eigenschappen, zoals verlaging van de waterabsorptie en verhoging van de E-modulus, waren ze niet geschikt om primaire grondstoffen te vervangen vanwege hun hoge sulfidegehalte wat resulteerde in hogere SOx emissies, efflorescentie en zwarte kernvorming in de gebakken stukken. Daarom is een voorbehandeling van het mijnfval nodig. Het tailings materiaal van Freiberg werd behandeld door middel van bioleaching en froth flotatie. In beide gevallen was het zwavel- en oplosbaar sulfaatgehalte echter nog te hoog en daarom werd dit materiaal niet verder beoordeeld. Het afvalgesteente van Neves Corvo werd, na verkleining van de korrelgrootte, behandeld met behulp van flotatie, waarbij een lager totaalgehalte aan zwavel en oplosbaar sulfaat werd verkregen. De verwerking van het gereinigde verse (SUL_NC_01_CL_FLOT) en gestockeerde (SUL_NC_03_CL_FLOT) afvalgesteente in gevelsteenmengsels (20 en 40 gew%) gaf echter aanleiding tot esthetische problemen, zoals efflorescentie na het drogen, wat resulteerde in witte vlekken op de gebakken producten. Wat de naleving van de milieueisen tijdens de levensduur betreft (diffusietest), gaven de gebakken proefstukken die mijnafval bevatten (40 wt%) een te hoge uitloging van As, wat betekent dat, omwille van de Vlaamse regelgeving, deze bakstenen niet gecommercialiseerd kunnen worden. Daarom wordt een geoptimaliseerd reinigingsproces aanbevolen. Dit onderzoek toont aan hoe mijnafvalmateriaal moet worden gekarakteriseerd en met welke eigenschappen rekening moet worden gehouden wanneer het wordt verwerkt in bouwkeramiek. Naast de technische en esthetische aspecten is het voldoen aan regionale of nationale milieuvoorschriften even belangrijk. Circulaire keramische bouwmaterialen kunnen enkel de markt op indien aan alle aspecten is voldaan.

Datum:8 mrt 2019 →  30 jun 2022
Trefwoorden:Mining Waste, Secondary Raw Materials, Ceramic Products, Circular Economy, Sustainability
Disciplines:Exploratieve geochemie, Keramiek
Project type:PhD project