Environmental, Resource and Health Assessments of Hard Materials and Material Substitution: The Cases of Cemented Carbide and Polycrystalline Diamond
Doctoral thesis, 2019
Papers I-III show that WC-Co has notable environmental, resource and health impacts. LCA results for non-Chinese WC-Co production show that most environmental impacts are dominated by a limited number of inputs and outputs (e.g. kerosene, sulfidic tailings and electricity) (Paper I). MFA results for flows of tungsten in the specific product of passenger car tire studs made from WC-Co show that the recycling of tungsten in this product is non-existing (0%) and thus considerably lower than the global average (10- 25%) (Paper II). Net health impact results for tire studs in a studded Scandinavian passenger car show that the purpose of tire studs – to prevent injuries – is not justified since the negative health impacts, mainly due to emissions of road particles during use, outweigh the positive health impacts from accident reduction (Paper III).
Paper IV provides LCA results for PCD production and compares WC-Co and PCD tools regarding environmental and resource impacts in the specific applications of wood working and titanium machining. The results show that PCD is preferable in wood working but not in titanium machining. In Paper V, a framework for defining functional units in comparative LCAs of materials is presented. The framework outlines three functional unit types: the reference flow, material property and product performance types. The selected functional unit greatly affects the result when comparing WC-Co to PCD. The main methodological contributions of this thesis are the inclusion of negative health impacts associated with conflict minerals in Paper III and the framework for comparative LCAs of materials in Paper V.
Life cycle assessment
polycrystalline diamond
disability-adjusted life years
material flow analysis
machining tools
cemented carbide
Author
Anna Furberg
Chalmers, Technology Management and Economics, Environmental Systems Analysis
Environmental life cycle assessment of cemented carbide (WC-Co) production
Journal of Cleaner Production,;Vol. 209(2019)p. 1126-1138
Journal article
Dissipation of tungsten and environmental release of nanoparticles from tire studs: A Swedish case study
Journal of Cleaner Production,;Vol. 207(2019)p. 920-928
Journal article
Live and Let Die? Life Cycle Human Health Impacts from the Use of Tire Studs
International Journal of Environmental Research and Public Health,;Vol. 15(2018)
Journal article
Environmental and resource aspects of substituting cemented carbide with polycrystalline diamond: The case of machining tools
Journal of Cleaner Production,;Vol. 277(2020)
Journal article
Furberg, Anna; Arvidsson, Rickard; Molander, Sverker. 2019. A framework for defining functional units in comparative life cycle assessments of materials. Submitted to International Journal of Life Cycle Assessment
En möjlig lösning skulle kunna vara att byta ut dessa knappa material mot mer vanligt förekommande kolbaserade material. Polykristallin diamant, som till stor del består av kol, är ett extremt hårt material och har föreslagits som ett alternativ till hårdmetall i verktyg. Samtidigt kräver produktionen av polykristallin diamant stora mängder av energi eftersom de höga tryck och temperaturer som råder vid bildandet av naturlig diamant återskapas vid produktionen. För att undvika att gå från ett problem till ett annat, nämligen från ett resurs- till ett miljöproblem, krävs ett systemperspektiv. Därför utgår denna avhandling från de miljösystemanalytiska metoderna livscykelanalys och materialflödesanalys för att jämföra hårdmetall och polykristallin diamant.
Denna avhandling visar att polykristallin diamant kan vara bättre än hårdmetall både ur ett miljö- och resursperspektiv men att detta beror på verktygens relativa prestanda. Resultaten pekar också på vikten av ett livscykelperspektiv när man vill utreda om det är fördelaktigt att byta ut ett material mot ett annat. Avhandlingen bidrar även med kunskap kring vad som är viktigt att tänka på vid sådana jämförelser. Exempelvis presenteras ett ramverk med vägledning om hur funktionen hos olika material kan beskrivas i jämförande livscykelanalyser av material.
Mistra Environmental Nanosafety Phase II
The Swedish Foundation for Strategic Environmental Research (Mistra) (2013/48), 2019-04-01 -- 2023-03-31.
Mistra Environmental Nanosafety
The Swedish Foundation for Strategic Environmental Research (Mistra), 2014-01-01 -- 2018-01-01.
Driving Forces
Sustainable development
Subject Categories
Environmental Engineering
Environmental Sciences
ISBN
978-91-7905-236-2
Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4703
Publisher
Chalmers
KB-salen, Kemigården 4
Opponent: Prof. Jeroen Guinée, Institute of Environmental Sciences (CML), Leiden University, the Netherlands