Potential application of ionic liquids in aluminium production - economical and ecological assessment

Markiewicz, M.; Hupka, J.; Joskowska, M.; Jungnickel, Ch.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Potential application of ionic liquids in aluminium production - economical and ecological assessment

Autorzy

Markiewicz M. , Hupka J. , Joskowska M. , Jungnickel Ch.

Wybrane pełne teksty z tego czasopisma

http://www.journalssystem.com/ppmp/

Identyfikatory

Warianty tytułu

Wykorzystanie cieczy jonowych w procesie produkcji aluminium - ocena ekonomiczna i ekologiczna

Języki publikacji

Abstrakty

Aluminium is one of the most popular materials in the automotive, plane, ship, food and packaging industries mainly due to its light weight and corrosion resistance. The annual production of this metal is growing by 2 % every year. The aluminium production technology applied in an industry is based on electrodeposition in cryolite in so called Hall–Héroult process. This process is considered very en& ergy consuming and was proven to have considerably high negative environmental impact. However an alternative technology has been suggested in the literature since aluminium deposition has been successfully demonstrated with room temperature ionic liquids (RTILs) based on imidazolium, pyridinium and quaternary ammonium cations with AlCl3 with an efficiency reaching almost 100%. The aim of this paper is to perform a comparison of conventional Hall–Héroult process with new ionic liquid technology taking into account mainly the environmental and economical impact. As the result of our studies we came to the conclusion that ionic liquid’s application in aluminium production presents a very interesting alternative for technologies applied so far in the industry. However care must be taken when introducing ionic liquids to wide&scale use as their environmental impact is not fully acknowledged. In the process of industrial utilization of chemical substances a risk of unintentional release is always present and should be taken into account. Therefore, prior to the implementation of this new technology a full risk assessment, including potential adverse effects determination and estimation of mobility in all possible environmental compartments, is required.

Ze względu na swój niewielki ciężar właściwy oraz odporność na korozję aluminium jest jednym z najczęściej wkorzystywanych materiałów w przemyśle samochodowym, lotniczym, stoczniowym, spożywczym i w produkcji opakowań. Produkcja tego metalu rośnie o 2% w skali roku. Technologia wytwarzania aluminium stosowana na skalę przemysłową oparta jest na elektrodepozycji w ciekłym kriolicie i nosi nazwę procesu Hall-Heroult'a. Technologia ta wymaga wysokich nakładów energii elektrycznej, charakteryzuje się ponadto, szeroko udokumentowanym, negatywnym wpływem na środowisko naturalne. Produkcja aluminium możliwa jest również z wykorzystaniem innych technologii, jako że istnieją doniesienia literaturowe na temat elektrodepozycji aluminium z mieszaniny cieczy jonowych zawierających w rdzeniu imidazol, pirymidynę lub czwartorzędową sól amoniową oraz AlCl3, w temperaturze zbliżonej do pokojowej z efektywnością sięgającą niemal 100%. Celem niniejszej publikacji jest dokonanie porównania obu wspomnianych technologii pod względem wpływu na środowisko oraz ekonomii produkcji. W wyniku przeprowadzonych studiów doszliśmy do wniosku, iż zastosowanie cieczy jonowych w produkcji aluminium stanowi inetersującą alternatywę dla dotychczas stosowanego procesu Hall-Heroult'a. Niemniej jednak wprowadzeniu tych nowych mediów do produkcji na szeroką skale towarzyszyć powinna nadzwyczajna ostrożność jako że wpływ tych związków na środowisko nie został w pełni poznany. W procesie przemysłowego użytkowania związków chemicznych ryzyko ich niezamierzonego uwolnienia musi być brane pod uwagę. Z tego względu przed wprowadzeniem tej technologii produkcji aluminium należy dokonać pełnej analizy ryzyka, uwzględniając ewentualny negatywny wpływ na środowisko jak również oraz zidentyfikować potencjalne rozmieszenie w różnych elementach ekosystemów.

Słowa kluczowe

ionic liquids aluminium production global warming potential

ciecze jonowe produkcja aluminium potancjał tworzenia efektu cieplarnianego

Wydawca

Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej

Czasopismo

Physicochemical Problems of Mineral Processing

Rocznik

2009

Tom

Vol. 43

Strony

73--84

Opis fizyczny

Bibliogr. 32 poz.

Twórcy

autor

Markiewicz M.

autor

Hupka J.

autor

Joskowska M.

autor

Jungnickel Ch.

Department of Chemical Technology, Chemical Faculty, Gdansk University of Technology, ul. Narutowicza 11/12, 80-952 Gdansk, Poland - Corresponding author, cahj@chem.pg.gda.pl

Bibliografia

1. ABBOTT, A. P., C. A. EARDLEY, N. R. S. FARLEY, G. A. GRIFFITH AND A. PRATT (2001). Electrodeposition of aluminium and aluminium/platinum alloys from AlCl3/benzyltrimethylammonium chloride room temperature ionic liquids. Journal of Applied Electrochemistry 31: 1345–1350.
2. ABEDIN, S. Z. E., E. M. MOUSTAFA, R. HEMPELMANN, H. NATTER AND F. ENDRES (2005). Additive free electrodeposition of nanocrystalline aluminium in a water and air stable ionic liquid. Electrochemistry Communications 7: 1111–1116.
3. BAKER, A. G., S. N. BAKER, S. PANDEY AND F. V. BRIGHT (2005). An analytical view of ionic liquids. Analyst 130: 800–808.
4. BEAULIEU, J. J., J. L. TANK AND M. KOPACZ (2008). Sorption of imidazolium-based ionic liquids to aquatic sediments. Chemosphere 70 1320–1328.
5. EDWARDS, J. D., C. S. TAYLOR, A. S. RUSSELL AND L. F. MARANVILLE (1952). Electrical Conductivity of Molten Cryolite and Potassium, Sodium, and Lithium Chlorides. Journal of The Electrochemical Society 99(12): 527–535.
6. EU (2001). Reference Document on Best Available Techniques in the Non Ferrous Metals Industries. I. P. P. a. C. (IPPC), European Commission: 275–335.
7. FRANK., E. and A. S. Z. EL. (2006). Air and water stable ionic liquids in physical chemistry. Physical Chemistry Chemical Physics 8: 2101–2116.
8. GAGNEA, R. and C. NAPPI (2000). The cost and technological structure of aluminium smelters worldwide. Journal of Applied Econometrics 15: 417–432.
9. GIELEN, D. J. (1998). Methodological Aspects of Resource-Oriented Analysis of Material Flows,workshop.The Future of the European Aluminium Industry: a MARKAL Energy and Material Flow Analysis.
10. GORMAN-LEWIS, D. J. and J. B. FEIN (2004). Experimental Study of the Adsorption of an Ionic Liquid onto Bacterial and Mineral Surfaces. Environmental Science and Technology 38: 2491–2495.
11. JASTORFF, B., R. STORMANN, J. RANKE, K. MOLTER, F. STOCK, B. OBERHEITMANN, W. HOFFMANN, J. HOFFMANN, M. NUCHTER, B. ONDRUSCHKA AND J. FILSER (2003). How hazardous are ionic liquids? Structure–activity relationships and biological testing as important elements for sustainability evaluation. Green Chemistry 5: 136–142.
12. JIANG, T., M. J. C. BRYM, G. DUBE, A. LASIA AND G. M. BRISARD (2006). Electrodeposition of aluminium from ionic liquids: Part I—electrodeposition and surface morphology of aluminium from aluminium chloride (AlCl3)–1-ethyl-3-methylimidazolium chloride ([EMIm]Cl) ionic liquids. Surface & Coatings Technology (201): 1–9.
13. JIANG, T., M. J. C. BRYM, G. DUBE, A. LASIA AND G. M. BRISARD (2006). Electrodeposition of aluminium from ionic liquids: Part II - studies on the electrodeposition of aluminum from aluminum chloride (AlCl3) - trimethylphenylammonium chloride (TMPAC) ionic liquids. Surface & Coatings Technology (201 ): 10–18.
14. LIU, L., Y. YANG AND Y. ZHANG (2004). A study on the electrical conductivity of multi-walled carbon nanotube aqueous solution Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures 24(3–4): 343–348
15. LIU, Q. X., S. Z. E. ABEDIN AND F. ENDRES (2006). Electroplating of mild steel by aluminium in a first generation ionic liquid: A green alternative to commercial Al-plating in organic solvents. Surface & Coatings Technology 201: 1352–1356.
16. MARKIEWICZ, L., E. BIEDRZYCKA AND M. BIELECKA (2006). Różnicowanie mleczarskich szczepów lactobacillus metodą PFGE. Żywność. Nauka. Technologia. Jakość. 47(2): 216–222.
17. MARKS, J., A. TABEREAUX, D. PAPE, V. BAKSHI, E. J. DOLIN (2001). Factors affecting PFC emission from commercial aluminium reduction cells. Light Metals(295–302).
18. MATZKE, M., S. STOLTE, J. U. ARNING, U. UEBERSA J. FILSER (2008). Imidazolium based ionic liquids in soils: effects of the side chain length on wheat (Triticum aestivum) and cress (Lepidium sativum) as affected by different clays and organic matter. Green Chemistry 10: 584–591.
19. MAZUMDER, B. (2003). Chemical oxidation of spent cathode carbon blocks of aluminium smelter plants for removal of contaminants and recovery of graphite value. Journal of Scientific & Industrial Research 62(12): 1181–1183
20. MOORS, E. H. M., K. F. MULDER AND P. J. VERGRAGT (2005). Towards cleaner production: barriers and strategies in the base metals producing industry. Journal of Cleaner Production 13: 657–668.
21. MOUSTAFA, E. M., S. Z. E. ABEDIN, A. SHKURANKOV, E. ZSCHIPPANG, A. Y. SAAD, A. BUND AND F. ENDRES (2007). Electrodeposition of Al in 1-Butyl-1-methylpyrrolidinium Bis(trifluoromethylsulfonyl)amide and 1-Ethyl-3-methylimidazolium Bi (trifluoromethylsulfonyl)-amide Ionic Liquids: In Situ STM and EQCM Studies. Journal of Physical Chemistry B 111: 4693–4704.
22. NOGRADY, B. (2006). Ionic liquids - cutting aluminium energy bills: designer solvents. Process. Clayton South. 6: 6–7.
23. NORGATE, T. E., S. JAHANSHAHI AND W. J. RAnkin (2007). Assessing the environmental impact of metal production processes. Journal of Cleaner Production 15(8–9): 838–848.
24. REACH (2007). European Commission Environment Directorate General - REACH system.
25. SILVEIRA, B. I., A. E. M. DANTAS, J. E. M. BLASQUES AND R. K. P. SANTOS (2002). Effectiveness of cement-based systems for stabilization and solidification of spent pot liner inorganic fraction Journal of Hazardous Materials 98(1–3): 183–190
26. SINGH, G., B. KUMAR, P. K. SEN AND J. MAJUMDAR (1999). Removal of Fluoride from Spent Pot Liner Leachate Using Ion Exchange. Water Environment Research 71(1): 36–42(7).
27. STEPNOWSKI, P. (2005). Preliminary Assessment of the Sorption of some Alkyl Imidazolium Cations as used in Ionic Liquids to Soils and Sediments. Australian Journal of Chemistry 58: 170–173.
28. STEPNOWSKI, P., W. MROZIK AND J. NICHTHAUSer (2007). Adsorption of Alkylimidazolium and Alkylpyridinium Ionic Liquids onto Natural Soils. Environmental Science and Technology 41: 511–516.
29. United Nations Department of Economic and Social Affairs, D. f. S. D. (2004). Agenda 21: Environmantally sound management of toxic chemicals, including prevention of illegal international tarffic in toxic and dangerous products. Chapter 19.
30. WELCH, B. J. (1999). Aluminium production paths in a new millennium. Journal of the Minerals, Metals and Materials Society 51: 24–28.
31. WU, B., R. G. REDDY AND R. D. ROGERS (2008). Production, refining and recycling of lightweight and reactive metals in ionic liquids. U. S. Patent, The Board of Trustees of the University of Alabama. US 7,347,920 B2.
32. YUGUANG, Z. AND T. J. VANDERNOOT (1997). Electrodeposition of aluminium from room temperature AlCl3-TMPAC molten salts. Electrochimica Acta 42(I I): 1639–1643.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-BAT1-0034-0013