Nano-particulate metal-based emissions from pyrometallurgy and road traffic

Abstract

Antropogenní činnosti, jako je pyrometalurgie a pozemní doprava jsou přínosem pro společnost, avšak přinášejí s sebou také jistá rizika pro životní prostředí a zdraví člověka. S těmito riziky je spojen například vznik odpadních produktů těchto procesů, které se uvolňují do životního prostředí. S výrobou železa a oceli je spojena produkce a akumulace jemnozrnných tuhých odpadů, které jsou částečně recyklovány a částečně skládkovány. Potenciální rizika těchto odpadů jsou závislá nejen na množství ale také na formě potenciálně rizikových kovů. Výskyt těchto kovů v životním prostředí představuje dlouhodobé riziko a může mít významný negativní vliv na živé organismy. Nespalovací procesy, jako je brzdění automobilů, také hojně přispívají ke znečištění životního prostředí. Brzdný otěr vzniká při tření mezi komponenty brzdné soustavy a může být rozdělen na dvě frakce, a to „nonairborne“ a „airborne“. „Nonairborne“ frakce obecně může spadat na povrchy cest, nebo být zachycena na součástech automobilu. Tyto částice jsou považovány za „velké“, ale na jejich povrchu mohou být zachyceny nanometrické částice, které mohou být uvolňovány dále do prostředí. Hlavním cílem této práce bylo určit mobilitu nanometrických částic ve vodném prostředí, jejich morfologii a složení v pěti vybraných pyrometalurgických kalech (kal z kyslíkového konvertoru, tandemové pece a vysoké pece, vysokopecní kal také po rozdružování na hydrocyklonu - výtok a přepad) a v brzdném otěru ze dvou modelových brzdových destiček (G6C a G6C/KATI) a dvou komerčních brzdových destiček (SMP1 a SMP2). Skenovací elektronová mikroskopie, rentgenová prášková difrakce, FTIR spektroskopie a Ramanova mikrospektroskopie byly použity pro charakterizaci všech původních vzorků. Podle evropské směrnice byly ze vzorků pyrometalurgických kalů připraveny vodné výluhy. Vodné suspenze byly také připraveny sedimentačním procesem pro oba typy vzorků. Připravené vodné suspenze byly nakápnuty na podložní sklíčko a nechány zaschnout pro analýzy skenovací elektronovou mikroskopií a Ramanovou mikrospektroskopií. Transmisní elektronová mikroskopie byla provedena přímo na připravených vodných suspenzích. Těmito technikami byly nalezeny nanometrické částice, některé i krystalického charakteru na bázi kovů. Připravené vodné suspenze podle normy jsou tudíž nesprávně považovány za homogenní výluh.

Anthropogenic activities, as pyrometallurgy and road traffic have plenty of benefits for the society; however they may also pose risks to the environment and human health as well. These risks are mainly connected to the production of wastes during these processes. With iron and steel production the generation and accumulation of fine-grained solid wastes are connected. These solid wastes are partially being recycled and partially they are landfilled. Potential risk of these wastes depends on amounts, chemistry and bioavailability of potentially hazardous metals present in wastes. These metals are persistent and may havesignificant negative impact on living organisms, so their long term presence in the environment may pose significant risks. Non-combustion anthropogenic processes associated with road traffic, such as braking are also known to contribute to the environmental pollution. The friction contact between pad and disc during forced deceleration creates wear debris, which could be divided to the nonairborne and airborne fraction. The non-airborne fraction may settle on brake hardware, road surfaces, and in the vicinity of roads. These particles are considered to be large, but their surface may be “covered” with attached ano-sized particles, which can be potentially released to the environment. Aim of the thesis was to evaluate the mobility of the nano-sized particles in the water environment and their morphology and chemistry characterization from five selected pyrometallurgical sludges (blast furnace sludge, blast furnace sludge treated in hydrocyclone overflow and underflow, tandem furnace sludge, and oxygen converter sludge), and nonairborne wear debris from two model brake pads (G6C and G6C/KATI), and two commercial brake pads (SMP1 and SMP2). Scanning electron microscopy, X-ray powder diffraction, FTIR spectroscopy, and Raman microspectroscopy were used for characterization of initial samples. According to European standard the suspensions were prepared from pyrometallurgical sludges. Also the sedimentation technique was used for suspension preparation of pyrometallurgical sludges and brake wear debris. Prepared suspensions were dried on a glass slide and characterized by scanning electron microscopy and Raman microspectroscopy. Transmission electron microscopy measurements were evaluated with liquid suspensions. These analytical techniques revealed presence of nano-sized metal based and some crystalline particles. Filtered aqueous leachate is inaccurately considered homogenous.