Heavy Metal Emissions from Primary Aluminium Production

Abstract

Tungmetallutslipp i form av luftbårne partikler, eller støv, anses som en miljøbelastning og kan være helseskadelig for både mennesker og dyr. En bedre forståelse av forekomst og sammensetningen er derfor nødvendig for å kontrollere og overvåke slike utslipp på en best mulig måte, samt innføre utslippsreduserende tiltak.

Diffuse støvutslipp fra to norske aluminiumssmelteverk ble undersøkt ved hjelp av ulike karakteriseringsmetoder og utslippsmålinger. Luftbårne partikler og avsatt støv, hovedsakelig fra Hydro Høyanger, ble undersøkt ved hjelp av Bruaner, Emmet og Teller-metoden (BET), elektronmikroskop (SEM), røntgendiffraksjon (XRD), masse- spektrometri (ICP-MS) og partikkelstørrelse analysator. Partikkelutslipp ble målt ved hjelp av optiske sensorer i en periode på tre uker, ved Alcoas anlegg i Mosjøen. Sensorene målte temperatur, fuktighet, tallkonsentrasjon og massekonsentrasjon for PM1, PM2.5, PM4 og PM10. Hensikten med dette var å kartlegge sammensetning og variasjon i diffuse støvutslipp som oppstår i ulike områder, og i forbindelse med forskjellige driftsprosesser i en elektrolysehall med fokus på tungmetaller og partikkel- størrelsesfordeling.

Tungmetallpartikler ble ofte observert som inneslutninger eller på overflaten av større karbonpartikler. Nikkel og jern ble funnet som fosfor- eller svovelholdige forbindelser og nikkel ble i noen tilfeller antatt å være tilstede som nikkelsulfid. For luftbårne partikler og avsatt støv ble partikkelstørrelsesfordelingen hovedsakelig funnet å være over PM10, mens gjennomsnittlig partikkelstørrelsesfraksjon målt av sensorsystemet ble funnet å være rundt 0.6 um ved tak- og gulvnivå. Korrelasjon mellom spesifikke driftsaktiviteter og periodevis økt utslipp ble observert, hvor anodeskift forårsaket høyere målte utslipp enn metalltapping og temperaturmålinger. Utslipp som oppstod under anodeskift bestod hovedsakelig av PM2.5, mens tapping forårsaket høyere nivå av PM10 utslipp.

Heavy metals in airborne particulate matter (PM), or dust, are considered a health and environmental concern. A better understanding of the formation and composition of the dust emissions are necessary to improve monitoring and control measures regarding heavy metal emissions.

Fugitive dust emissions from two Norwegian aluminium smelters were investigated by different characterisation methods and in-situ particulate matter emission measurements. Both settled and airborne dust mainly from Hydro Høyanger, were characterised by means of Bruaner, Emmet and Teller method (BET), Scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD), Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP-MS) and particle size distribution analyser. PM emissions were measured for three weeks at Alcoa's plant in Mosjøen by optical PM sensors based on laser scattering technology. The sensors measured temperature and humidity, number concentration and mass concentration for PM1, PM2.5, PM4 and PM10. The purpose of this work was to map the composition and variation in fugitive potroom emissions that occur in different areas and in connection with different operational processes within the electrolysis hall, with a focus on heavy metals and particle size distribution.

Heavy metal particles were often found as inclusions or on the surface of larger carbon particles. Nickel and iron were found to be phosphorous or sulfuric compounds and nickel appeared to be present as nickel sulfide in some cases. Particle size distribution for settled and airborne dust were mainly found to be in PM10 range, while the average particle size fraction for particles measured by the sensor system were found to be around 0.6 um at roof and floor level. Correlation between specific operational activities and increased emissions were observed, where anode change caused higher emissions than metal tapping and temperature measurements. Emissions produced during anode change mainly consisted of PM2.5, while tapping caused more PM10 emissions.