Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Identifying hotspots of environmental impact in the development of novel inorganic polymer paving blocks from bauxite residue
KTH, School of Architecture and the Built Environment (ABE), Sustainable development, Environmental science and Engineering.ORCID iD: 0000-0002-9560-3132
Katholieke Univ Leuven, Dept Mat Engn, Kasteelpk Arenberg 44, B-3001 Leuven, Belgium..
Univ Tartu, Inst Phys, Ostwaldi 1, EE-50411 Tartu, Estonia..
Univ Tartu, Inst Phys, Ostwaldi 1, EE-50411 Tartu, Estonia..
Show others and affiliations
2018 (English)In: Resources, Conservation and Recycling, ISSN 0921-3449, E-ISSN 1879-0658, Vol. 138, p. 87-98Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

High bauxite residue content inorganic polymer paving blocks have the potential not only to provide a solution to the ongoing waste management issues faced by the alumina sector, but to simultaneously provide low environmental impact building materials to the construction sector. In order to realise the potential of this emerging technology, it is important to understand where the hotspots of environmental impact are likely to occur, and identify routes to reduce this impact, at an early stage of development. In this study we use anticipatory Life Cycle Assessment (LCA) to identify hotspots of environmental impact in the production of paving blocks made from inorganic polymers derived from bauxite residue. This technology has only been demonstrated at laboratory scale; however, production was modelled at industrial scale. The bauxite residue is fired in a rotary kiln in the presence of a carbon and silica source, in order to create a reactive precursor. When mixed with an alkali the precursor forms a solid block. Our results identify the firing process as the major hotspot of environmental impact, primarily due to the combustion of fossil fuels in the rotary kiln. Steps to reduce the impact of the firing step or to reduce the amount of fired precursor used in the final paving block are suggested as routes for future impact reduction. Optimisation of the environmental aspects of these building materials at an early stage in their development could lead to a promising future for high-volume bauxite residue valorisation at low environmental cost.

Place, publisher, year, edition, pages
Elsevier, 2018. Vol. 138, p. 87-98
Keywords [en]
Life cycle assessment, Inorganic polymers, Bauxite residue, Secondary resources, Waste management, Waste valorisation
National Category
Civil Engineering
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-235551DOI: 10.1016/j.resconrec.2018.07.006ISI: 000444789400010Scopus ID: 2-s2.0-85050227042OAI: oai:DiVA.org:kth-235551DiVA, id: diva2:1252553
Note

QC 20181002

Available from: 2018-10-02 Created: 2018-10-02 Last updated: 2018-11-30Bibliographically approved
In thesis
1. Environmental Considerations in the Zero-waste Valorisation of Bauxite Residue: A Life Cycle Perspective
Open this publication in new window or tab >>Environmental Considerations in the Zero-waste Valorisation of Bauxite Residue: A Life Cycle Perspective
2018 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Bauxite residue, also known as red mud, is produced in large quantities as a result of alumina refining (the first stage in aluminium production), and is one of the world’s most abundant and important industrial wastes. As demand for aluminium continues to increase and space to store this residue diminishes, the potential to utilise bauxite residue as a secondary resource is increasingly being considered by the alumina industry. Bauxite residue can be used as a source of iron, aluminium, titanium oxide, scandium and rare earth oxides, or utilised for its bulk properties to create cement clinkers or inorganic polymers. Achieving any of these uses however requires a series of complex valorisation processes, which in turn require inputs of energy and materials. Some bauxite residues also contain trace amounts of naturally occurring radionuclides.

The EU Horizon 2020 MSCA-ETN REDMUD project was set up to investigate the valorisation of bauxite residue in an integrated manner. The ultimate aim of the REDMUD project is to develop environmentally-friendly, zero-waste, integrated processes for extracting valuable materials from bauxite residue and/or utilising it at high volume. This thesis presents the environmental perspective on this aim, taking a life cycle view; that is, taking into account the upstream and downstream impacts, in addition to the direct impacts, which may result from diverting bauxite residue from landfill to the proposed valorisation processes. This involves using Life Cycle Assessment (LCA) approaches to understand the environmental balance between the impact avoided through landfill diversion and the substitution of conventional materials, and the impacts incurred by the use of materials and energy in the valorisation processes themselves. Importantly, the potential ionising radiation impact from naturally occurring radionuclides is also considered from a life cycle perspective for the first time.

A new life cycle impact assessment method for assessing the impacts of naturally occurring radionuclides was developed. In addition, two pieces of research software, designed to overcome the current shortcomings in LCA software with respect to streamlined and prospective LCA studies of emerging technologies are presented as part of this thesis.

The potential hotspots of environmental impact in a single step valorisation process, the production of high bauxite residue content inorganic polymers, were identified. The results identify the high temperature processing of bauxite residue, in order to transform it into a reactive precursor capable of forming solid inorganic polymers, as a hotspot of environmental impact across a range of environmental impact measures. The production of alkaline activating solutions (the other reagent in the polymerisation reaction) also represented a hotspot of environmental impact. These hotspots were used to identify possible future research directions for this process, which have the potential to reduce the environmental impact of this valorisation process.

Finally it was shown that even in the absence of a detailed and quantified system description, qualitative approaches based on life cycle thinking can be usefully applied to identify important aspects on both sides of the environmental balance between the impacts avoided and the impacts incurred in waste valorisation. Chemical reaction products, chemical synthesis, thermal and mechanical energy are highlighted as potential sources of environmental impact. A case study, looking at the combined extraction of iron and production of inorganic polymers from bauxite residue was used to demonstrate the validity of these qualitative approaches. This study also demonstrated that combining the extraction of iron and inorganic polymers is vital in order to yield a net environmental benefit in terms of climate change.

This thesis provides an initial step on the road towards the environmentally sustainable valorisation of bauxite residue, as well as the analytical tools and additional impact assessment measures required to ensure that this journey can be continued, both within the REDMUD project and beyond.

Abstract [sv]

Bauxitrester, även känt som rödslam, eller bauxitslam (eng: red mud), produceras i stora mängder vid förädling av bauxit till aluminiumoxid och är ett av världens mest rikligt förekommande och viktiga industriella avfall. Eftersom efterfrågan på aluminium fortsätter att öka och utrymme för att lagra detta avfall blir allt mer begränsat, överväger industrin alltmer möjligheten att utnyttja bauxitrester som en sekundär resurs. Bauxitrester kan användas som en källa till utvinning av järn, aluminium, titanoxid, scandium- och sällsynta jordartsmetalloxider eller utnyttjas för dess bulkegenskaper för att tillverka cementklinkers eller geopolymerer (eng: inorganic polymers). För att uppnå något av dessa användningsområden krävs emellertid en rad komplexa valoriseringsprocesser, som i sin tur kräver användning av energi och material. Vissa bauxitrester innehåller också spårmängder av naturligt förekommande radionuklider.EU:s Horizon 2020 MSCA-ETN REDMUD-projekt inrättades för att undersöka möjligheter för valorisering av bauxitrester på ett integrerat sätt. Det slutgiltiga målet med REDMUD-projektet är att utveckla miljövänliga, avfallsfria, integrerade processer för att extrahera värdefulla material från bauxitrester och/eller utnyttja det i stora volymer. Avhandlingen behandlar detta syfte ur miljösynpunkt och med ett livscykelperspektiv; det vill säga med hänsyn till den uppströms- och nedströms miljöpåverkan som, utöver de direkta effekterna, kan uppstå då bauxitrester flyttas från deponi till de föreslagna valoriseringsprocesserna. Det innebär att man använder Livscykelanalys (LCA) för att förstå balansen mellan å ena sidan miljöpåverkan som undviks genom minskad deponering och substitution av konventionella material och å andra sidan den ytterligare miljöpåverkan som användningen av material och energi i valoriseringsprocesserna medför. Det är viktigt att den potentiella joniserande strålningseffekten från naturligt förekommande radionuklider också bedöms från ett livscykelperspektiv för första gången.En ny metod för miljöpåverkansbedömning i LCA av effekterna av naturligt förekommande radionuklider har utvecklats. Dessutom presenteras två nyutvecklade mjukvaror för LCA forskning, utformade för att övervinna de nuvarande begränsningarna i tillgänglig LCA-mjukvara med avseende på förenklad ochframåtblickande LCA-studier av framväxande teknologier som en del av denna avhandling.Potentiella miljömässiga hotspots i en enstegs valoriseringsprocess, produktion av geopolymerer med hög andel bauxitrester, identifierades. Resultaten visar att högtemperaturbehandling av bauxitrester, för att omvandla dessa till en reaktiv prekursor som kan bilda fasta geopolymerer, är en hotspot för en rada olika kategorier av miljöpåverkan. Produktionen av alkalisk aktivator (eng: alkaline activating solution) (det andra reagenset i polymerisationsreaktionen) utgjorde också en hotspot av miljöpåverkan. Dessa hotspots användes för att identifiera möjliga framtida forskningsvägar för denna process, som har potential att minska miljöpåverkan av denna valoriseringsprocess.Slutligen visades att även om det saknas en detaljerad och kvantifierad systembeskrivning kan kvalitativa tillvägagångssätt baserat på livscykeltänkande med fördel användas för att identifiera viktiga aspekter på båda sidor av balansen mellan den miljöpåverkan som undviks och den som uppstår vid avfallsvalorisering . Kemiska reaktionsprodukter, kemisk syntes, termisk och mekanisk energi lyfts fram som potentiella källor till miljöpåverkan. En fallstudie av den kombinerade utvinningen av järn och produktion av geopolymerer från bauxitrester användes för att visa giltigheten av dessa kvalitativa metoder. Denna studie visade också att en kombination av utvinning av järn och tillverkning av geopolymerer är avgörande för att ge en netto miljönytta med avseende på klimatpåverkan.Denna avhandling redogör för ett första steg på vägen mot en miljömässigt hållbar valorisering av bauxitrester, samt de analytiska verktygen och de ytterligare metoder för miljöpåverkansbedömning som krävs för att säkerställa att denna utveckling kan fortsätta, både inom REDMUD-projektet och bortom det.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2018. p. 77
Series
TRITA-ABE-DLT ; 1835
Keywords
Life Cycle Assessment (LCA), bauxite residue, waste valorisation, Naturally Occurring Radioactive Materials (NORM), Life Cycle Thinking, LCA software, Circular Economy, Livscykelanalys (LCA), bauxitrest, avfallsvalorisering, naturligt förekommande radioaktiva ämnen (NORM), livscykeltänkande, LCA-programvara, cirkulär ekonomi
National Category
Environmental Sciences
Research subject
Planning and Decision Analysis
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-239389 (URN)978-91-7873-004-9 (ISBN)
Public defence
2019-01-07, F3, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 13:00 (English)
Opponent
Supervisors
Projects
REDMUD Project
Funder
EU, Horizon 2020, 636876
Note

QC 20181122

Available from: 2018-11-22 Created: 2018-11-21 Last updated: 2018-11-22Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Other links

Publisher's full textScopus

Authority records BETA

Joyce, Peter JamesBjörklund, Anna

Search in DiVA

By author/editor
Joyce, Peter JamesBjörklund, Anna
By organisation
Sustainable development, Environmental science and Engineering
In the same journal
Resources, Conservation and Recycling
Civil Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 268 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf