Magdalena Zarzuela, Ricardo
Calvo Sevillano, Guiomar (dir.) ; Valero Delgado, Alicia (dir.)
Universidad de Zaragoza,
2024
Abstract: En las últimas décadas, los avances tecnológicos han transformado las industrias, desde la fabricación de vehículos a gran escala hasta la producción de dispositivos pequeños esenciales para la sociedad, como móviles, tabletas y portátiles. Los metales, debido a sus propiedades únicas, son esenciales para estos avances, tanto en términos de cantidad como de variedad. Por ello, el aumento anual en la demanda de
estos productos ha llevado a una mayor producción de metales, agotando las minas.
La industria minera, una de las más grandes y contaminantes a nivel global, se enfrenta a una reducción drástica en la calidad del mineral extraído, lo que requiere más energía para obtener la misma cantidad de metal.
Esta tesis pretende arrojar luz sobre dichos retos, enfocándose en tres aspectos. Primero, se evalúa el comportamiento energético futuro de las minas asociado a leyes de mina decrecientes. Seguidamente, se lleva a cabo un análisis para determinar la viabilidad de extraer metales de los relaves, con un análisis de los químicos y agua utilizada. Para finalizar, se realiza una propuesta basada en la rareza termodinámica para fomentar la recogida de equipos eléctricos y electrónicos, evitando de esta manera su almacenamiento en los hogares y fomentando la recuperación de materias primas esenciales de una fuente alternativa a la extracción primaria.
En particular, se han desarrollado curvas representando los costes energéticos en función de la disminución en la concentración del mineral, para tres grupos diferentes de metales: plomo – zinc, niobio – tántalo, y níquel – cobalto – grupo de los elementos del platino (PGMs). Para cada metal analizado, las curvas muestran la concentración actual de las minas, concentraciones conocidas sobre residuos de mina y concentraciones que denominamos límite, que serían inaccesibles desde un punto de vista energético. Además, se ha llevado a cabo una evaluación económica y una comparación con sus precios en el mercado.
Los estudios del comportamiento energético y de extracción de los metales han sido realizados con un programa especializado llamado Outotec HSC Chemistry. Este programa informático permite el desarrollo de simulaciones para diferentes etapas en el proceso de extracción, siendo posible el cálculo de la energía en cada punto de la simulación. Además, también se puede llevar a cabo el desarrollo de procesos químicos en la etapa de refinado, siendo posible estimar los productos químicos necesarios para el refinado, así como su impacto en el medio ambiente.
Es importante destacar que la viabilidad de extracción de metales depende mucho de la asignación de costes que se considere, haciendo que la extracción de algunos metales sea viable o no. Por ejemplo, se he realizado un análisis de sensibilidad de los precios en el proceso de simulación del níquel, cobalto y el grupo de los platinos.
El análisis revela que, si se aumenta un 30% la asignación de costes en el níquel, el precio en el mercado de este metal podría crecer un 7%. Por otro lado, este aumento en la asignación de costes del níquel podría suponer una reducción del 30% y casi del 50% en el precio para el cobalto y el grupo de los platinos, respectivamente.
Para tratar de paliar el problema detectado sobre la demanda de minerales y la reducción de la concentración en las minas, se han propuesto algunas soluciones para evaluar la viabilidad de extraer ciertos minerales para cubrir la demanda de los metales analizados. La primera solución está basada en extraer metales de los relaves, que hasta ahora eran materiales que se descartaban por tener unas concentraciones
muy bajas de metales y por no ser rentables. Hoy en día, hay explotaciones con una ley de mina muy baja, y existen relaves de minas abandonadas que tienen una concentración similar a la de estas minas. En concreto, en esta tesis, se ha llevado a cabo un estudio de una mina abandonada en 1985 (estando activa hoy en día) en Penouta, Galicia, situada en el norte de España, que tenía como objetivo la extracción
de estaño. Se ha podido observar que los relaves contienen no solo una concentración significativa de estaño, sino también de niobio y tántalo. De este modo, se ha llevado a cabo una simulación del proceso de extracción, obteniéndose resultados muy prometedores. Por ejemplo, los cálculos realizados indican que por cada tonelada de relaves sería posible recuperar 0,45 toneladas de estaño, 0,05 toneladas de tántalo y 0,03 toneladas de niobio. Además, la eficiencia del proceso refleja una posible recuperación de más del 92% para el estaño, 95% para el tántalo y del 67% para el niobio, con una pureza del 99%, 79% y 98%, respectivamente.
La segunda solución está asociada a la recuperación de materiales esenciales de productos tecnológicos cuando estos llegan a su fin de vida. Algunos dispositivos son enviados a países en desarrollo, otros son llevados a vías de reciclaje, pero también hay muchos que son almacenados en los hogares. Por este motivo, es esencial que dichos dispositivos sean adecuadamente recogidos para su reusabilidad, o en última instancia, para su reciclado. Esta tesis propone una metodología para calcular los incentivos que podrían otorgarse a modo de recompensas a los usuarios
para fomentar que los dispositivos electrónicos puedan ser recogidos, reutilizados o reciclados. Este intercambio estaría basado en un sistema llamado “Eco-credits”, y la recompensa propuesta depende de la calidad de los metales presentes en el dispositivo, su estado (funcionando para su reusabilidad o no funcionando para su reparación), y su duración (dispositivos más viejos reciben menos créditos). La calidad de las materias primas se evalúa a través del indicador de “la rareza termodinámica”, que está basado en el segundo principio. Este indicador se compone de dos términos principales: el coste exergético de reposición y la exergía incorporada al metal. De acuerdo a esta aproximación, es posible evaluar minerales en función de su abundancia en la corteza de la Tierra, así como la exergía que se necesita para extraer minerales de las minas, procesarlos y enviarlos a la industria. es. El objetivo de los “Eco-credits” es fomentar la reciclabilidad de dispositivos y prevenir la pérdida de metales que están simplemente almacenados en hogar.
Los resultados de esta tesis pueden ser valiosos para las compañías mineras, fabricantes y legisladores para comprender los recursos involucrados en la extracción de metales, la distribución de costes y los potenciales impactos medioambientales.
Además, la información recogida en esta tesis puede ser relevante para concienciar a la población sobre esta situación, y por lo tanto, animar a una utilización responsable de los dispositivos que contienen metales valiosos.
Abstract (other lang.): In recent decades, technological advancements have revolutionized industries, from large-scale vehicle manufacturing to the production of small devices crucial to society, such as mobile phones, tablets, and laptops. Metals, owing to their unique properties, are indispensable for these advancements, both in terms of quantity and diversity. Consequently, the annual surge in demand for these products has led to increased metal production, depleting mineral deposits. The mining industry, one of the largest and most environmentally impactful globally, faces a drastic reduction in the quality of extracted minerals, necessitating more energy to obtain the same quantity of metal. This thesis aims to shed light on these challenges, focusing on three aspects. Firstly, it evaluates the future energy behavior of mines associated with declining ore grades. Subsequently, an analysis is conducted to determine the feasibility of extracting metals from tailings, with an examination of the chemicals and water used. Lastly, a proposal based on thermodynamic rarity is presented to encourage the collection of electrical and electronic equipment, thus avoiding their storage in households and promoting the recovery of essential raw materials from an alternative source to primary extraction. In particular, curves representing energy costs as a function of decreasing mineral concentration have been developed for three different metal groups: lead-zinc, niobium-tantalum, and nickel-cobalt-platinum group metals (PGMs). For each analyzed metal, the curves depict current mine concentrations, known concentrations in mine tailings, and concentrations referred to as ¿limit of extraction¿, which would be energetically inaccessible. Additionally, an economic assessment and comparison with market prices have been conducted. The studies on the energy behavior and metal extraction have been performed using specialized software called Outotec HSC Chemistry. This computer program enables the development of simulations for various stages of the extraction process, allowing the calculation of energy at each simulation point. Furthermore, it facilitates the development of chemical processes in the refining stage, making it possible to estimate the chemicals required for refining and their environmental impact. It is crucial to note that the feasibility of metal extraction depends significantly on cost allocation considerations, making the extraction of certain metals more or less viable. For example, a sensitivity analysis of nickel, cobalt, and the platinum group metals (PGMs) in the simulation process has been conducted. The analysis reveals that increasing cost allocations for nickel by 30% could potentially result in a 7% market price increase for this metal. Conversely, such a cost allocation increase could lead to a 30% reduction for cobalt and almost a 50% reduction for PGMs' market prices, respectively. To address the identified challenges concerning mineral demand and declining ore concentrations, several solutions have been proposed to assess the feasibility of extracting specific minerals to meet the demand for the analyzed metals. The first solution is based on extracting metals from tailings, which were previously disregarded due to their low metal concentrations and lack of profitability. Today, there are mining operations with very low ore grades, and abandoned mine tailings have concentrations similar to these active mines. Specifically, this thesis includes a study of a mine abandoned in 1985 (currently active) in Penouta, Galicia, located in northern Spain, with the goal of extracting tin. It has been observed that the tailings contain not only a significant tin concentration but also tantalum and niobium. Consequently, a simulation of the extraction process has been conducted, yielding highly promising results. For instance, calculations indicate that for every ton of tailings, it would be possible to recover 0.45 tons of tin, 0.05 tons of tantalum, and 0.03 tons of niobium. Furthermore, the process's efficiency suggests a potential recovery rate of over 92% for tin, 95% for tantalum, and 67% for niobium, with purity levels of 99%, 79%, and 98%, respectively. The second solution is associated with the recovery of essential materials from technological products when they reach the end of their lifecycle. Some devices are sent to developing countries, while others are directed to recycling pathways. However, many end up stored in households. For this reason, it is essential that such devices are adequately collected for reuse or, ultimately, recycling. This thesis proposes a methodology to calculate incentives in the form of rewards to encourage users to return electronic devices for reuse or recycling. This exchange would be based on a system called "Eco-credits", with the proposed reward depending on the quality of metals present in the device, its condition (functional for reuse or non-functional for repair), and its age (older devices receive fewer credits). The quality of raw materials is assessed through the thermodynamic rarity indicator, which is based on the second law of thermodynamics. This indicator comprises two main components: the exergy replacement cost and the exergy incorporated into the metal. According to this approach, it is possible to evaluate minerals based on their abundance in the Earth's crust, as well as the exergy required to extract minerals from mines, process them, and deliver them to the industry. The goal of "Eco-credits" is to promote device recyclability and prevent the loss of metals simply stored in households. The results of this thesis can be valuable for mining companies, manufacturers, and policymakers to comprehend the resources involved in metal extraction, cost distribution, and potential environmental impacts. Furthermore, the information collected in this thesis can be relevant for raising awareness among the population about this situation, thus encouraging the responsible use of devices containing valuable metals.
estos productos ha llevado a una mayor producción de metales, agotando las minas.
La industria minera, una de las más grandes y contaminantes a nivel global, se enfrenta a una reducción drástica en la calidad del mineral extraído, lo que requiere más energía para obtener la misma cantidad de metal.
Esta tesis pretende arrojar luz sobre dichos retos, enfocándose en tres aspectos. Primero, se evalúa el comportamiento energético futuro de las minas asociado a leyes de mina decrecientes. Seguidamente, se lleva a cabo un análisis para determinar la viabilidad de extraer metales de los relaves, con un análisis de los químicos y agua utilizada. Para finalizar, se realiza una propuesta basada en la rareza termodinámica para fomentar la recogida de equipos eléctricos y electrónicos, evitando de esta manera su almacenamiento en los hogares y fomentando la recuperación de materias primas esenciales de una fuente alternativa a la extracción primaria.
En particular, se han desarrollado curvas representando los costes energéticos en función de la disminución en la concentración del mineral, para tres grupos diferentes de metales: plomo – zinc, niobio – tántalo, y níquel – cobalto – grupo de los elementos del platino (PGMs). Para cada metal analizado, las curvas muestran la concentración actual de las minas, concentraciones conocidas sobre residuos de mina y concentraciones que denominamos límite, que serían inaccesibles desde un punto de vista energético. Además, se ha llevado a cabo una evaluación económica y una comparación con sus precios en el mercado.
Los estudios del comportamiento energético y de extracción de los metales han sido realizados con un programa especializado llamado Outotec HSC Chemistry. Este programa informático permite el desarrollo de simulaciones para diferentes etapas en el proceso de extracción, siendo posible el cálculo de la energía en cada punto de la simulación. Además, también se puede llevar a cabo el desarrollo de procesos químicos en la etapa de refinado, siendo posible estimar los productos químicos necesarios para el refinado, así como su impacto en el medio ambiente.
Es importante destacar que la viabilidad de extracción de metales depende mucho de la asignación de costes que se considere, haciendo que la extracción de algunos metales sea viable o no. Por ejemplo, se he realizado un análisis de sensibilidad de los precios en el proceso de simulación del níquel, cobalto y el grupo de los platinos.
El análisis revela que, si se aumenta un 30% la asignación de costes en el níquel, el precio en el mercado de este metal podría crecer un 7%. Por otro lado, este aumento en la asignación de costes del níquel podría suponer una reducción del 30% y casi del 50% en el precio para el cobalto y el grupo de los platinos, respectivamente.
Para tratar de paliar el problema detectado sobre la demanda de minerales y la reducción de la concentración en las minas, se han propuesto algunas soluciones para evaluar la viabilidad de extraer ciertos minerales para cubrir la demanda de los metales analizados. La primera solución está basada en extraer metales de los relaves, que hasta ahora eran materiales que se descartaban por tener unas concentraciones
muy bajas de metales y por no ser rentables. Hoy en día, hay explotaciones con una ley de mina muy baja, y existen relaves de minas abandonadas que tienen una concentración similar a la de estas minas. En concreto, en esta tesis, se ha llevado a cabo un estudio de una mina abandonada en 1985 (estando activa hoy en día) en Penouta, Galicia, situada en el norte de España, que tenía como objetivo la extracción
de estaño. Se ha podido observar que los relaves contienen no solo una concentración significativa de estaño, sino también de niobio y tántalo. De este modo, se ha llevado a cabo una simulación del proceso de extracción, obteniéndose resultados muy prometedores. Por ejemplo, los cálculos realizados indican que por cada tonelada de relaves sería posible recuperar 0,45 toneladas de estaño, 0,05 toneladas de tántalo y 0,03 toneladas de niobio. Además, la eficiencia del proceso refleja una posible recuperación de más del 92% para el estaño, 95% para el tántalo y del 67% para el niobio, con una pureza del 99%, 79% y 98%, respectivamente.
La segunda solución está asociada a la recuperación de materiales esenciales de productos tecnológicos cuando estos llegan a su fin de vida. Algunos dispositivos son enviados a países en desarrollo, otros son llevados a vías de reciclaje, pero también hay muchos que son almacenados en los hogares. Por este motivo, es esencial que dichos dispositivos sean adecuadamente recogidos para su reusabilidad, o en última instancia, para su reciclado. Esta tesis propone una metodología para calcular los incentivos que podrían otorgarse a modo de recompensas a los usuarios
para fomentar que los dispositivos electrónicos puedan ser recogidos, reutilizados o reciclados. Este intercambio estaría basado en un sistema llamado “Eco-credits”, y la recompensa propuesta depende de la calidad de los metales presentes en el dispositivo, su estado (funcionando para su reusabilidad o no funcionando para su reparación), y su duración (dispositivos más viejos reciben menos créditos). La calidad de las materias primas se evalúa a través del indicador de “la rareza termodinámica”, que está basado en el segundo principio. Este indicador se compone de dos términos principales: el coste exergético de reposición y la exergía incorporada al metal. De acuerdo a esta aproximación, es posible evaluar minerales en función de su abundancia en la corteza de la Tierra, así como la exergía que se necesita para extraer minerales de las minas, procesarlos y enviarlos a la industria. es. El objetivo de los “Eco-credits” es fomentar la reciclabilidad de dispositivos y prevenir la pérdida de metales que están simplemente almacenados en hogar.
Los resultados de esta tesis pueden ser valiosos para las compañías mineras, fabricantes y legisladores para comprender los recursos involucrados en la extracción de metales, la distribución de costes y los potenciales impactos medioambientales.
Además, la información recogida en esta tesis puede ser relevante para concienciar a la población sobre esta situación, y por lo tanto, animar a una utilización responsable de los dispositivos que contienen metales valiosos.
Abstract (other lang.): In recent decades, technological advancements have revolutionized industries, from large-scale vehicle manufacturing to the production of small devices crucial to society, such as mobile phones, tablets, and laptops. Metals, owing to their unique properties, are indispensable for these advancements, both in terms of quantity and diversity. Consequently, the annual surge in demand for these products has led to increased metal production, depleting mineral deposits. The mining industry, one of the largest and most environmentally impactful globally, faces a drastic reduction in the quality of extracted minerals, necessitating more energy to obtain the same quantity of metal. This thesis aims to shed light on these challenges, focusing on three aspects. Firstly, it evaluates the future energy behavior of mines associated with declining ore grades. Subsequently, an analysis is conducted to determine the feasibility of extracting metals from tailings, with an examination of the chemicals and water used. Lastly, a proposal based on thermodynamic rarity is presented to encourage the collection of electrical and electronic equipment, thus avoiding their storage in households and promoting the recovery of essential raw materials from an alternative source to primary extraction. In particular, curves representing energy costs as a function of decreasing mineral concentration have been developed for three different metal groups: lead-zinc, niobium-tantalum, and nickel-cobalt-platinum group metals (PGMs). For each analyzed metal, the curves depict current mine concentrations, known concentrations in mine tailings, and concentrations referred to as ¿limit of extraction¿, which would be energetically inaccessible. Additionally, an economic assessment and comparison with market prices have been conducted. The studies on the energy behavior and metal extraction have been performed using specialized software called Outotec HSC Chemistry. This computer program enables the development of simulations for various stages of the extraction process, allowing the calculation of energy at each simulation point. Furthermore, it facilitates the development of chemical processes in the refining stage, making it possible to estimate the chemicals required for refining and their environmental impact. It is crucial to note that the feasibility of metal extraction depends significantly on cost allocation considerations, making the extraction of certain metals more or less viable. For example, a sensitivity analysis of nickel, cobalt, and the platinum group metals (PGMs) in the simulation process has been conducted. The analysis reveals that increasing cost allocations for nickel by 30% could potentially result in a 7% market price increase for this metal. Conversely, such a cost allocation increase could lead to a 30% reduction for cobalt and almost a 50% reduction for PGMs' market prices, respectively. To address the identified challenges concerning mineral demand and declining ore concentrations, several solutions have been proposed to assess the feasibility of extracting specific minerals to meet the demand for the analyzed metals. The first solution is based on extracting metals from tailings, which were previously disregarded due to their low metal concentrations and lack of profitability. Today, there are mining operations with very low ore grades, and abandoned mine tailings have concentrations similar to these active mines. Specifically, this thesis includes a study of a mine abandoned in 1985 (currently active) in Penouta, Galicia, located in northern Spain, with the goal of extracting tin. It has been observed that the tailings contain not only a significant tin concentration but also tantalum and niobium. Consequently, a simulation of the extraction process has been conducted, yielding highly promising results. For instance, calculations indicate that for every ton of tailings, it would be possible to recover 0.45 tons of tin, 0.05 tons of tantalum, and 0.03 tons of niobium. Furthermore, the process's efficiency suggests a potential recovery rate of over 92% for tin, 95% for tantalum, and 67% for niobium, with purity levels of 99%, 79%, and 98%, respectively. The second solution is associated with the recovery of essential materials from technological products when they reach the end of their lifecycle. Some devices are sent to developing countries, while others are directed to recycling pathways. However, many end up stored in households. For this reason, it is essential that such devices are adequately collected for reuse or, ultimately, recycling. This thesis proposes a methodology to calculate incentives in the form of rewards to encourage users to return electronic devices for reuse or recycling. This exchange would be based on a system called "Eco-credits", with the proposed reward depending on the quality of metals present in the device, its condition (functional for reuse or non-functional for repair), and its age (older devices receive fewer credits). The quality of raw materials is assessed through the thermodynamic rarity indicator, which is based on the second law of thermodynamics. This indicator comprises two main components: the exergy replacement cost and the exergy incorporated into the metal. According to this approach, it is possible to evaluate minerals based on their abundance in the Earth's crust, as well as the exergy required to extract minerals from mines, process them, and deliver them to the industry. The goal of "Eco-credits" is to promote device recyclability and prevent the loss of metals simply stored in households. The results of this thesis can be valuable for mining companies, manufacturers, and policymakers to comprehend the resources involved in metal extraction, cost distribution, and potential environmental impacts. Furthermore, the information collected in this thesis can be relevant for raising awareness among the population about this situation, thus encouraging the responsible use of devices containing valuable metals.
Pal. clave: concentración de menas ; menas metálicas no férreas ; minerales no metálicos ; mineralogía
Titulación: Programa de Doctorado en Energías Renovables y Eficiencia Energética
Plan(es): Plan 509
Knowledge area: Ingeniería y Arquitectura
Nota: Presentado: 29 02 2024
Nota: Tesis-Univ. Zaragoza, , 2024
Contribution of the TFG/M to Sustainability: Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación. Garantizar las pautas de consumo y de producción sostenibles. Tomar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus efectos.
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Record created 2024-06-03, last modified 2024-06-03
