Rotschlamm

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Rotschlammdeponie bei Bützflethermoor

Rotschlamm oder auch Bauxitrückstand ist ein Abfallprodukt, das bei der Gewinnung von Aluminiumoxid aus aluminiumhaltigen Erzen (insbesondere Bauxit) anfällt. Aluminiumoxid ist ein Zwischenprodukt der Aluminium-Herstellung. Die charakteristische rote Farbe stammt von festen Partikeln aus Eisen(III)-Verbindungen (beispielsweise Eisen(III)-hydroxid und Eisen(III)-oxid) die in Natronlauge suspendiert sind.

Mehr als 95 % des weltweit produzierten Al2O3 wird mithilfe des Bayer-Verfahren generiert; pro Tonne Al2O3 fallen so annähernd 1 bis 1,5 Tonnen Bauxitrückstand an. Die weltweite Produktion von Al2O3 belief sich im Jahr 2015 auf rund 115 Millionen Tonnen, was gleichzeitig zu einer Produktion von 150 Millionen Tonnen Bauxitrückstand führte.[1]

Entstehung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zur großtechnischen Gewinnung von metallischem Aluminium wird Bauxit verwendet, ein Erz, das hauptsächlich aus Aluminiumoxid und -hydroxid sowie Eisenoxid und -hydroxid besteht. Nebenbestandteile sind vor allem Titanoxid, Silicate und Spuren von Schwermetallen. Um Al2O3 zu extrahieren, wird der lösliche Teil des Bauxits unter hohen Temperaturen und Druck in Natronlauge gelöst („aufgeschlossen“, das sogenannte Bayer-Verfahren). Die enthaltenen Aluminiumverbindungen werden so in wasserlösliches Natriumaluminat Na[Al(OH)4] überführt und mittels Extraktion vom wasserunlöslichen Rest abgetrennt. Aus der Natriumaluminatlösung wird durch Verdünnen und Abkühlen Aluminiumhydroxid (Al(OH)3) ausgefällt. Dieses wird anschließend in Wirbelschichtanlagen oder in Drehrohröfen zu Aluminiumoxid (Al2O3) gebrannt und durch Schmelzflusselektrolyse (Hall-Héroult-Prozess) zum Metall reduziert.

Die Eisen- und Schwermetallverbindungen bleiben als Suspension oder Dispersion in stark alkalischer Lösung zurück und werden aufgrund der rötlichen Färbung als Rotschlamm bezeichnet. Um das Bayerverfahren so effizient wie möglich zu betreiben und um die Produktionskosten zu senken wird möglichst viel NaOH in verschiedenen Teilschritten aus dem Rückstand entfernt und wiederverwendet. Dies führt zu einem Rückstand mit geringerer Alkalinität und leichterer Handhabung.

Wie viel Rotschlamm je produzierter Tonne Aluminium anfällt, hängt von der je nach Herkunft variablen Zusammensetzung des verwendeten Bauxits ab: Bei tropischem Bauxit ist von etwa 1,6 t, bei europäischem Bauxit von etwa 3,2–3,7 t feuchtem Rotschlamm auszugehen.[2]

Zusammensetzung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Grundsätzlich enthält Rotschlamm die im Bauxit-Erz enthaltenen Fremdstoffe. Dies sind hauptsächlich Eisen- und Titanoxide und verschiedene Kieselsäureverbindungen.[3] Die charakteristische rote Farbe erhält Rotschlamm aufgrund seines Hauptbestandteils Eisen(III)-oxid. Die in geringerem Umfang enthaltenen Nebenbestandteile variieren mit der Herkunft des Erzes. Hier wurden zahlreiche Schwermetalle wie Arsen, Blei, Cadmium, Chrom, Vanadium oder Quecksilber nachgewiesen. Rotschlamm aus der Aluminiumhütte MAL AG (Magyar Alumínium) in Ajka, Westungarn, enthielt nach einer von Greenpeace in Auftrag gegebenen Analyse pro Kilogramm Trockenmasse 110 Milligramm Arsen, 1,3 Milligramm Quecksilber sowie 660 Milligramm Chrom.[4]

Eine Elementaranalyse des österreichischen Umweltbundesamtes ergab, dass sich der Rotschlamm aus diesem Aluminiumwerk aus insgesamt 38 chemischen Elementen zusammensetzt, darunter auch Cadmium (7 mg/kg), Nickel (270 mg/kg) und Antimon (40 mg/kg).[5][6][7] Die Zusammensetzung kann deutlich variieren, liegt üblicherweise jedoch zwischen: Fe2O3 5–60 %, Al2O3 5–30 %, TiO2 0,3–15 %, CaO 2–14 %, SiO2 3–50 % und Na2O 1–10 %. Bauxitrückstand ist mineralogisch wie folgt zusammengesetzt: Sodalith 3Na2O.3Al2O3.6SiO2.Na2SO4) 4–40 %; Al-Goethit 10–30 %; Hämatit (Fe2O3) 10–30 %; Quartz und amorphes SiO2 5–20 %; Katoit (3CaO.Al2O3.6H2O) 2–20 %; Böhmit (AlO(OH)) 0–20 %; Rutil 2–15 %; Muskowit (K2O.3Al2O3. 6SiO2.2H2O) 0–15 %; Calcit 2–10 %; Gibbsit (Al(OH)3) 0–5 %; Kaolinite (Al2O3. 2SiO2.2H2O) 0–5 %.

Die Bildung von Natriumaluminatsilikaten spiegelt wider, dass ein Teil der vorhandenen Aluminiumverbindungen innerhalb des Bayerverfahrens mit reaktiven Silikaten reagieren und somit die Ausbeute an Aluminiumoxid verringern.

Verbleib[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Endlagerung des Rückstands hat sich im Laufe der Geschichte wesentlich verändert. Aufgrund der Verknappung von Ablagerungsräumen und steigenden Bedenken an der Endlagerung der Schlämme wird seit Mitte der 1980er Jahre das sogenannte Dry-Stacking-Verfahren angewendet.[8][9][10][11] Bei dieser Methode werden die Rückstände verdichtet (48–55 % Feststoffgehalt) und anschließend in einer Weise gelagert, die das Trocknen und Verfestigen ermöglicht.[12]

Eine weit verbreitete Methode ist die Filtration, wobei ein Filterkuchen (typischerweise <30 % Restfeuchte) produziert wird. Der Kuchen wird mit Wasser oder Dampf gewaschen, um die Alkalinität vor dem Transport zu reduzieren.[13] Der gefilterte Rückstand ist hinsichtlich einer Wiederverwertung aufgrund der niedrigeren Alkalinität, dem günstigeren Transport und der einfacheren Handhabbarkeit bevorzugt.

Ursprünglich wurden Schlämme mit einem Feststoffanteil von 20 % in Teiche oder Staubecken gepumpt, teilweise entstanden diese in ehemalige Bauxitminen.[14] Alternativ wurden auch abgedichtete Deponien mit Dämmen oder Deichen errichtet. Ein übliches Verfahren war auch die Entsorgung mit Hilfe von Rohrleitungen in Flüsse, Ästuaren oder in das Meer. Oft wurde der Rückstand auch auf hoher See in der Nähe von Ozeangräben entsorgt. Die Endlagerung im Meer, Flüssen und Ästuaren wird heute nicht mehr angewendet.[15]

In Deutschland wird der Schlamm heute in abgedichteten Deponien eingelagert, bis sich die als Dispersion vorliegenden Hydroxide und Silikate abgesetzt haben. Die austretende Natronlauge wird wiederverwertet. Anschließend wird die Deponie mit Sand und Erde abgedeckt und rekultiviert. Eine der größten Rotschlammdeponien Deutschlands befindet sich in der Nähe von Stade in Niedersachsen zwischen Bützflethermoor und Stadermoor, 10 km nordwestlich von Stade. Bei ihr wurde von der Aluminium Oxid Stade vor der Deponierung die Natronlauge aus dem Rotschlamm gewaschen.[16]

In jüngerer Zeit wird gereinigter Rotschlamm auch als Füllstoff im Straßenbau verwendet sowie als Ausgangsmaterial für Keramik genutzt. Weitere Einsatzmöglichkeiten von Rotschlamm als Rohstoff wurden erörtert, erwiesen sich bisher aber als zu aufwändig und nicht gewinnbringend.[17]

Gefahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die kurzfristige Gefährlichkeit des Rotschlammes beruht in erster Linie auf dem Gehalt an ätzender Natronlauge.

Eine langfristige Schädlichkeit ergibt sich aus dem Gehalt an giftigen Schwermetallen, abhängig von Herkunft und Art des Bauxits. Schwermetalloxide und Schwermetallhydroxide sind im basischen Milieu meist nur sehr schwer löslich. Deponierter Rotschlamm enthält etwa 1 % an löslichen Schwermetallhydroxiden. Als Anionen vorliegende toxische Komponenten wie Fluoride, Arsenate, Chromate und Vanadate können jedoch auch im basischen Milieu aus dem Schlamm ausgewaschen werden. Wenn das Natriumhydroxid des Rotschlamms durch starke Verdünnung oder Zutritt von Säuren neutralisiert wird, kann es auch zur Bildung von löslichen Verbindungen anderer Schwermetalle und damit zu Umweltgefährdungen kommen. Deshalb sollten Rotschlammdeponien sowohl eine Oberflächenabdeckung als auch einen Schutz gegen Kontakt mit Grundwasser besitzen.[17]

Zwischenfälle[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Durch unsachgemäße Entsorgung oder das bewusste Einleiten von Rotschlamm in Flüsse und Seen kommt es zu schwerwiegenden Umweltproblemen. Auch bei der Lagerung von Rotschlamm kam es in der Vergangenheit zu Unfällen:

Luftbild des Kolontár-Dammbruchs

Am 4. Oktober 2010 traten beim Kolontár-Dammbruch in Ungarn zwischen 700.000 und 1 Million Kubikmeter Rotschlamm aus den Speichern eines Aluminiumwerks in der ungarischen Ortschaft Ajka aus.[18]

Bei einer der größten Bauxitminen Brasiliens, Porto Trombetas im Amazonasbecken, wird Rotschlamm in den Lago Batata eingeleitet. Dies hatte ein enormes Artensterben im See zur Folge, Umweltorganisationen wie Rettet den Regenwald e. V. sprechen sogar von einem kompletten Sterben des Ökosystems.[19] Außerdem kann das Wasser des Sees sowie des angrenzenden Rio Sapone nicht mehr als Trinkwasser genutzt werden.[20]

Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Seit das Bayerverfahren im Jahre 1894 zum ersten Mal angewendet wurde, wurde der potentielle Wert des Rückstandes erkannt und Forschungsaufwand betrieben, um eine Wiederverwendung zu finden. Versuche wurden unternommen die Hauptbestandteile, vor allem Eisen, zurückzugewinnen. Vier Kategorien hinsichtlich möglicher Anwendung von Bauxitrückstand können genannt werden: Gewinnung von Haupt- und Nebenbestandteilen: Eisen, Titan, seltene Erdelemente (SEE); Verwendung als Hauptrohstoff für die Herstellung von Produkten, z.B. Zement; Verwendung von Bauxitrückstand als Bestandteil in Baustoffen, z.B. Beton, Ziegel, Fliesen; Bodenmelioration, und Umwandlung des Rückstandes in ein nützliches Produkt, wie z.B. durch den Virotec-Prozess

Die variierende Zusammensetzung des Rückstandes führt zu einer Vielzahl von verschiedenen möglichen Anwendungen: in der Zementherstellung, Verwendung in Beton als SCM (supplementary cementitious material), zur Gewinnung von Eisen und Titan, Anwendung in Bauelementen, in Ziegelsteinen, in Fliesen, als Gleisschotter, zur Bodenverbesserung, als Calcium- und Siliciumdünger, zur Gewinnung von Lanthaniden(SEE), Scandium, Gallium, als Adsorber von Schwermetallen, als Farbstoff, zur chemischen Wasseraufbereitung, in (Glas-)Keramiken, Schaumglas, als Pigment, als Füllstoff für PVC, als Holzersatz, in Geopolymeren, als Katalysatoren, als Plasmaspraybeschichtung von Aluminium und Kupfer, in der Herstellung von Aluminiumtitanat-Mullit-Verbundstoffen für temperaturresistente Beschichtungen, in der Rauchgasentschwefelung, in der Arsen- und Chromentsorgung.[21]

Schätzungen zufolge werden jährlich 2 bis 3,5 Millionen Tonnen des produzierten Bauxitrückstands wiederverwendet:

  • Zement: 500.000 bis 1.500.000 t[22][23]
  • Rohstoff für Eisen- und Stahlproduktion 400.000 bis 1.500.000 t
  • Deponieabdeckung/Straßen/Bodenverbesserungen: 200.000 bis 500.000 t[24]
  • Baumaterial (Ziegelsteine, Fliesen, Keramiken, etc.) – 100.000 bis 300.000 t
  • Andere (Feuerfestprodukt, Adsorber, Grubenentwässerung (Virotec), Katalysatoren etc.) – 100.000 t[25]

Im Jahre 2015 wurde eine europäische Initiative mit Finanzierung der Europäischen Union für die Valorisierung von Bauxitrückstand ins Leben gerufen. 15 PhDs wurden als Teil des Europäischen Trainings Netzwerks für Zero-Waste Valorisation of Bauxite Residue rekrutiert.[26] Der Hauptfokus liegt in der Gewinnung von Fe, Al, Ti und SEE (inkl. Scandium) und der Verwendung des Rückstandes als Rohstoffe für Baustoffe (Zemente, Geopolymere).

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • K. S. Sutherland, „Solid/Liquid Separation Equipment“, Wiley-VCH, Weinheim (2005).
  • Annual statistics collected and published by World Aluminium.
  • “Bauxite Residue Management: Best Practice”, available from the International Aluminium Institute, 10 King Charles II Street, London, SW1Y 4AA, UK and online.
  • Data on global production of aluminium and aluminium oxide.
  • Wanchao Liu, Jiakuan Yang, Bo Xiao, “Review on treatment and utilization of bauxite residues in China”, in Int. J. of Mineral Processing, 93 220–231 (2009), DOI:10.1016/j.minpro.2009.08.005.
  • M.B. Cooper, “Naturally Occurring Radioactive Material (NORM) in Australian Industries”, EnviroRad report ERS-006 prepared for the Australian Radiation Health and Safety Advisory Council (2005).
  • Agrawal, K.K. Sahu, B.D. Pandey, „Solid waste management in non-ferrous industries in India“, Resources, Conservation and Recycling 42 (2004), 99–120, DOI:10.1016/j.resconrec.2003.10.004.
  • Jongyeong Hyuna, Shigehisa Endoha, Kaoru Masudaa, Heeyoung Shinb, Hitoshi Ohyaa, „Reduction of chlorine in bauxite residue by fine particle separation“, Int. J. Miner. Process., 76, 1–2, (2005), 13-20.
  • Claudia Brunori, Carlo Cremisini, Paolo Massanisso, Valentina Pinto, Leonardo Torricelli, „Reuse of a treated red mud bauxite waste: studies on environmental compatibility“, Journal of Hazardous Materials, 117(1), (2005), 55–63.
  • H. Genc¸-Fuhrman, J.C. Tjell, D. McConchie, „Increasing the arsenate adsorption capacity of neutralized red mud (Bauxsol™)“, J. Colloid Interface Sci. 271 (2004) 313–320, DOI:10.1016/j.jcis.2003.10.011.
  • H. Genc¸-Fuhrman, J.C. Tjell, D. McConchie, O. Schuiling, „Adsorption of arsenate from water using neutralized red mud“, J. Colloid Interface Sci. 264 (2003) 327–334, DOI:10.1016/S0021-9797(03)00447-8.

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

 Commons: Rotschlamm – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Annual statistics collected and published by World Aluminium.
  2. Manfred Sietz, Stefan Seuring: Ökobilanzierung in der betrieblichen Praxis, Eberhard Blottner Verlag, Taunusstein 1997 S. 103
  3. Ungarn: Falscher Umgang mit dem Rotschlamm
  4. Ergebnisse der Analysen des ungarischen Rotschlamms aus Kolontar im Auftrag von Greenpeace (Memento vom 2. Februar 2014 im Internet Archive), abgerufen am 9. Oktober 2010 (PDF; 96 kB)
  5. Giftschlamm: Laut Greenpeace erhöhte Feinstaubwerte. ORF, 12. Oktober 2010, abgerufen am 17. Oktober 2010.
  6. Prüfbericht Nr. 1010/441 „Schwermetallscreening und Bestimmung von Cr(VI) in Rotschlamm“ (Memento vom 2. Februar 2014 im Internet Archive). Auftrag A 9928 – Projekt-Nr. 2490, abgerufen am 17. Oktober 2010 (PDF; 46 kB, Erstellt durch Umweltbundesamt GmbH im Auftrag von Greenpeace).
  7. Prüfbericht Nr. 1010/431 „Bestimmung von Arsen, Quecksilber und Chrom (gesamt) in Rotschlamm“ (Memento vom 2. Februar 2014 im Internet Archive). Auftrag A 9928 – Projekt-Nr. 249, abgerufen am 17. Oktober 2010 (PDF; 42 kB, Erstellt durch Umweltbundesamt GmbH im Auftrag von Greenpeace).
  8. B. G. Purnell, “Mud Disposal at the Burntisland Alumina Plant”. Light Metals, 157–159. (1986).
  9. H. H. Pohland and A. J. Tielens, “Design and Operation on Non-decanted Red Mud Ponds in Ludwigshafen”, Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).
  10. E. I. Robinsky, “Current Status of the Sloped Thickened Tailings Disposal System”, Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).
  11. J. L. Chandler, “The Stacking and Solar Drying Process for disposal of bauxite tailings in Jamaica”, Proc. Int. Conf. Bauxite Tailings, Kingston, Jamaica (1986).
  12. “Bauxite Residue Management: Best Practice”, published by World Aluminium the European Aluminium available from the International Aluminium Institute, 10 King Charles II Street, London, SW1Y 4AA, UK and online from http://bauxite.world-aluminium.org/refining/bauxite-residue-management.html
  13. K. S. Sutherland, „Solid/Liquid Separation Equipment“, Wiley-VCH, Weinheim (2005).
  14. K. Evans, E. Nordheim and K. Tsesmelis, „Bauxite Residue Management“, Light Metals, 63–66(2012), DOI:10.1007/978-3-319-48179-1_11.
  15. G. Power, M. Graefe and C. Klauber,„Bauxite residue issues: Current Management, Disposal and Storage Practices“, Hydrometallurgy, 108, 33–45 (2011), DOI:10.1016/j.hydromet.2011.02.006.
  16. Unfall in Ungarn – Erste Analyse warnt vor Giften im Rotschlamm, Cordula Meyer am 12. Oktober 2010 in Spiegel-Online, abgerufen am 20. Oktober 2013.
  17. a b Frank Muster: Rotschlamm. Reststoff aus der Aluminiumoxidproduktion – Ökologischer Rucksack oder Input für Produktionsprozesse? kassel university press GmbH, Kassel 2007, ISBN 978-3-89958-359-5, S. 15.
  18. Chemie-Unglück: In Ungarn droht eine Umwelt-Katastrophe. In: DerWesten. 6. Oktober 2010, abgerufen am 6. Oktober 2010.
  19. regenwald.org: Aluminium, abgerufen am 25. Februar 2013.
  20. eco-world.de: Trinkwasser oder Treibstoff? Und das alles ist nur die Spitze des Eisbergs..., abgerufen am 25. Februar 2013.
  21. B. K. Parekh and W. M. Goldberger, “An assessment of technology for the possible utilization of Bayer process muds”, published by the U. S. Environmental Protection Agency, EPA 600/2-76-301.
  22. Y.Pontikes and G.N. Angelopoulos „Bauxite residue in Cement and cementious materials“, Resourc. Conserv. Recyl. 73, 53–63 (2013), DOI:10.1016/j.resconrec.2013.01.005.
  23. Y.Pontikes, G.N. Angelopoulos, B. Blanpain,, “Radioactive elements in Bayer’s process bauxite residue and their impact in valorization options”, Transportation of NORM, NORM Measurements and Strategies, Building Materials, Advances in Sci. and Tech, 45 2176–2181 (2006).
  24. W.K.Biswas and D. J. Cooling, “Sustainability Assessment of Red SandTM as a substitute for Virgin Sand and Crushed Limestone”, J. of Ind. Ecology, 17(5) 756–762 (2013), DOI:10.1111/jiec.12030.
  25. H. Genc¸-Fuhrman, J.C. Tjell, D. McConchie, „Adsorption of arsenic from water using activated neutralized red mud“, Environ. Sci. Technol. 38 (2004) 2428–2434, DOI:10.1021/es035207h.
  26. http://etn.redmud.org/project/