Så kan kvicksilverutsläpp från industrin minska kraftigt

Svavelsyra är världens mest använda kemikalie. Den är viktig inom många industrier och används för att tillverka alltifrån papper, läkemedel och kosmetika till batterier, rengöringsmedel och konstgödsel. Därför är det en stor utmaning att svavelsyra ofta innehåller ett av världens giftigaste ämnen – kvicksilver. Nu har forskare på Chalmers utvecklat en metod som kan minska halterna av kvicksilver i svavelsyra med mer än 90 procent  – även från redan låga nivåer. 

– Fram tills nu har det inte funnits någon fungerande metod för att rena färdig svavelsyra överhuvudtaget. Med en så radikal minskning av kvicksilverhalten kommer vi långt under dagens gränsvärden. Så högkvalitativ och ren svavelsyra är efterfrågad inom industrin och ett viktigt steg för att minska skadlig miljöpåverkan, säger forskningsledaren Björn Wickman, docent vid institutionen för fysik på Chalmers.

Svavelsyra framställs antingen från svavel från oljeindustrin eller som biprodukt i gruvindustrins smältverk. I det senare fallet kan kvicksilver, som finns naturligt i malmen, följa med genom processen till den färdiga produkten. Även återvunnet material, som används i smältverken, kan innehålla kvicksilver.

Giftiga utsläpp som påverkar allt liv på jorden

Kvicksilverspridning är ett världsomfattande problem, eftersom ämnet är lättflyktigt och sprids med luften över stora områden. Via regnvatten sköljs den giftiga tungmetallen vidare ut i vattendrag och sjöar. Där lagras den i mark, vatten och levande organismer och påverkar hela näringskedjan. Bland annat kan människor och djur drabbas av skador på hjärnan och det centrala nervsystemet.

Enligt en rapport från FN:s miljöprogram, Unep, ökade utsläppen av kvicksilver till atmosfären med uppskattningsvis tjugo procent från 2010 till 2015. År 2015 släpptes cirka 2 200 ton kvicksilver ut i luften till följd av mänskliga aktiviteter som cementtillverkning, småskalig guldutvinning, kolförbränning, metallproduktion och annan tillverkningsindustri. Samma år hamnade dessutom uppskattningsvis 1 800 ton kvicksilver i mark och vatten. Enligt rapporten kan kvicksilverhalterna i atmosfären ha ökat med 450 procent det senaste århundradet.

– Alla sätt som vi kan minska kvicksilverutsläppen på är goda, eftersom det kvicksilver som en gång släpps ut ackumuleras i naturen och fortsätter att utgöra ett hot under tusentals år, säger Björn Wickman.

Fångar upp metallen med hjälp av elektrokemi

För fem år sedan presenterade hans forskargrupp vid Chalmers en banbrytande metod för att rena vatten från kvicksilver med hjälp av elektrokemiska processer. Metoden bygger på att den giftiga metallen tas upp av en metallelektrod och bildar en legering. Därefter kan kvicksilvret avlägsnas på ett säkert sätt och elektroden återanvändas. Nu har forskarna tagit tekniken ett steg vidare, och i en ny studie visar de hur koncentrerad svavelsyra kan renas från kvicksilver.

Experimenten på svavelsyran har gjorts i samarbete med gruv- och metallföretaget Boliden och företaget Atium, sprunget ur Chalmers entreprenörsskola för att ta kvicksilverrening av vatten och kemikalier till marknaden. Forskarna hoppas nu kunna gå vidare med samarbetspartnerna och ta fram en typ av reaktor genom vilken svavelsyran kan flöda och samtidigt renas.

Kan minska både kostnader och miljöpåverkan

Idag renas kvicksilver mestadels på ett tidigare stadium – på smältverken innan svavelsyran framställs. Detta är en etablerad process, men lämnar spår av kvicksilver även efter reningen.

– Genom att också rena svavelsyran går det att förhindra ytterligare kvicksilverutsläpp, samtidigt som industrin kan arbeta mer kostnadseffektivt och få fram en högkvalitativ och giftfri produkt. Nästa steg blir att skala upp metoden och gå vidare med ett pilotförsök som ligger närmare verklighetens volymer om tusentals ton, säger Vera Roth, doktorand på Chalmers och förstaförfattare till den nyligen publicerade vetenskapliga artikeln i ACS ES&T Engineering.

Hoppas på skärpta gränsvärden

Enligt databasen Statista uppgår den globala marknadsvolymen för svavelsyra till runt 260 miljoner ton per år. År 2029 väntas siffran ha ökat till 314 miljoner ton. Ju lägre andel kvicksilver svavelsyran innehåller, desto mer värdefull är den. Svavelsyra för kommersiella ändamål anses ha godtagbar kvalitet när dess kvicksilverhalt är under 0,30 milligram per kilo. Om halten är under 0,08 milligram per kilo har svavelsyran en hög kvalitet. Med den nya metoden har forskarna minskat halten av kvicksilver till 0,02 milligram per kilo svavelsyra i sin pilotstudie.

– Gränsvärdena för hur mycket kvicksilver som svavelsyra får innehålla är satta efter den teknik som finns tillgänglig idag. Med den nya metoden för att rena svavelsyra är vår förhoppning att lagstiftningen kring gränsvärdena skärps, inte minst globalt där nivåerna kan vara mycket högre än i Sverige, Björn Wickman.

Bildtext: Svavelsyra är en viktig kemikalie inom industrin, men innehåller ofta ett av världens giftigaste ämnen – den lättflyktiga metallen kvicksilver som förorenar både luft och vatten. Nu har forskare på Chalmers visat att det går att minska kvicksilverhalterna i svavelsyra med mer än 90 procent. Metoden gör det möjligt att rena svavelsyran till nivåer som ligger långt under dagens gränsvärden.  Studien gjordes i samarbete med avknoppningsbolaget Atium och gruv- och metallföretaget Boliden.

Foto: Boliden | Unsplash, Nazrin Babashova

Mer om metoden och den vetenskapliga studien:

• Reningsmetoden bygger på att kvicksilverjonerna försvinner från svavelsyran genom att jonerna i stället bildar en legering med en annan metall. En elektrod med platina på ytan binder kvicksilvret till sig med hjälp av elektrokemi. Den tar då upp det giftiga kvicksilvret så att en blandning av metallerna bildas. Man kan därefter kontrollerat avlägsna kvicksilvret och regenerera elektroden. Det innebär att man både kan återanvända elektroden och att det giftiga ämnet kan tas om hand på ett säkert sätt. Dessutom är processen mycket energisnål. I ett avsnitt av Utbildningsradions program UR Samtiden medverkar Björn Wickman och visar hur metoden fungerar för rening av vatten från kvicksilver.
• Den vetenskapliga artikeln Mercury Removal from Concentrated Sulfuric Acid by Electrochemical Alloy Formation on Platinum har publicerats i tidskriften ACS ES&T Engineering och är skriven av Vera Roth, Julia Järlebark, Alexander Ahrnens, Jens Nyberg, Justin Salminen, Teodora Retegan Vollmer och Björn Wickman. Artikelförfattarna är verksamma vid institutionen för fysik och institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers, samt vid Atium och Boliden.
• Svavelsyra är världens mest använda kemikalie. Den är viktig inom många industrier och används för att tillverka alltifrån papper, kemikalier, läkemedel och kosmetika till batterier, rengöringsmedel och konstgödsel. Svavelsyra är också en viktig kemikalie inom gruv- och metallindustrin, där den också används i återvinningsprocesser.
• Experimenten i studien har gjorts i labbmiljö, dels i en 50 milliliters bägare, dels i en tjugolitersreaktor. Nästa steg blir att skala upp metoden och gå vidare med ett pilotförsök som ligger närmare industrins verkliga volymer.
•  Forskningen har finansierats av Formas och av Strategiska innovationsprogrammet Swedish Mining Innovation –  en gemensam satsning av Vinnova, Formas och Energimyndigheten.

Mer om tungmetaller i vår miljö:

• Tungmetaller i vatten och vattendrag utgör ett enormt miljöproblem som påverkar hälsan för miljontals människor i världen. Tungmetaller är giftiga för alla levande organismer och ansamlas i näringskedjan. Enligt Världshälsoorganisationen, WHO, är kvicksilver ett av de skadligaste ämnena för människors hälsa. Bland annat påverkar det vårt nervsystem och hjärnans utveckling. Ämnet är speciellt farligt för barn och foster.
• Idag finns det strikta regleringar när det gäller hanteringen av giftiga tungmetaller för att hindra deras spridning i naturen. Det finns ändå mängder av platser som redan blivit förorenade eller som påverkas av nedfallet av luftburet kvicksilver som kan komma från andra länder. Detta har resulterat i att det finns områden i vår natur där mängden tungmetaller når giftiga koncentrationer. Till exempel är höga halter av kvicksilver i insjöfisk ett välkänt miljöproblem. Även i Sverige är tungmetallföroreningar ett allvarligt problem, och fisken i majoriteten av våra sjöar innehåller mer kvicksilver än gränsvärdet.
• Inom industri där tungmetaller används, samt inom återvinning, rening och sanering, finns ett stort behov av nya och bättre metoder för att rena vatten från giftiga tungmetaller.

För mer information, kontakta:

Björn Wickman, docent, institutionen för fysik, Chalmers, 031 772 51 79, bjorn.wickman@chalmers.se

Vera Roth, doktorand, institutionen för fysik, Chalmers, vera.roth@chalmers.se

Högupplösta bilder kan laddas ner från Chalmers pressrum.