Toxikus fémek fizikai és kémiai immobilizációja

1. Toxikus fémek fizikai és kémiai immobilizációja Készítette: Király András BME Környezetmérnök BSc

2. Fogalmak • Nehézfémek: nagy atomsúlyú fémek vagy félfémek; definíciójuk sokféle lehet (tudományterületenként eltérő) • a ritka-földfémeknél nehezebb elemek, melyek nem esszenciálisak és már igen kis koncentrációban is toxikusak • a környezetvédelemben gyakran használják rosszul a toxikus fémek helyett azokra a fémekre, melyek környezeti és egészségproblémák okozói lehetnek már viszonylag kis koncentrációkban • As, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Sn, Pb, Zn • Immobilizáció:a mozgás, a mozgékonyság megszüntetése szennyezőanyagok szilárd felülethez kötése, szilárd mátrixba ágyazása, fizikai-kémia átalakítása által, melyek az illékonyságot, oldhatóságot, deszorpciós képességet csökkentik. Ezzel a szennyező anyag környezetben való terjedését (mobilizációját), valamint a fizikai-kémiai és biológiai hozzáférhetőségét szüntetik meg. • Fizikai-kémiai immobilizáció:Az immobilizáció elérésének az a módja, amikor fizikai, kémiai vagy biológiai kezeléssel a talaj fizikai-kémiai paramétereinek (pH, redoxpotenciál, szorpciós viszonyok) megváltozását érjük el vagy olyan kémiai vegyületet alkalmazunk, amely a szennyezőanyaggal reakcióba lépve megváltoztatja annak kémiai formáját, oly módon, hogy az anyag mobilitása csökken vagy megszűnik.

3. Immobilizációs technológia • A szennyezőanyag immobilizációján alapuló környezetvédelmi technológiák:bármely szennyezett környezeti elem és fázis esetében alkalmazhatóak (levegőben, vízben, talajban egyaránt), amennyiben a szennyezőanyag megkötődésre, szorpcióra hajlamos: szilárd és vízfázis közötti megoszlási hányadosa nagy érték. • Talajra mind in situ (talajba kevert nagy fajlagos felületű anyagok - zeolit, kalcit, bentonit) mind ex situ (keverő reaktorban puzollán anyagok hozzáadása) módon alkalmazható. • A mátrix, amiben a szennyezőanyag megkötődik lehet: - koncentrált (tömbösítés) - diszperz (immobilis kémiai forma) (tehát a termék lehet akár egy betontömb, egy kerámia-anyag vagy akár mikroszemcsés talajba keveredő anyag is)

4. Immobilizáció a talajban • Nem a szennyezőanyag eltávolítása a cél, terjedésének és hozzáférhetőségének (víz általi: kimosás, erózió; biota általi: növényi felvétel) lehetőségét akarjuk megszüntetni • Technológiai megoldások: • fizikai-kémiai stabilizálás: szilárdítással, beágyazással (beton, gipsz, bentonit, bitumen, polimerek felhasználása) • kémiai stabilizálás: oldhatatlan kémiai forma létrehozása(pH beállítása, oxidáció, reduktív körülmények biztosítása) • termikus immobilizáció: kerámiába, téglába ágyazás, vitrifikáció • biológiai stabilizálás: növényzet fizikai hatása (erózió és defláció ellen), növények kémiai hatása (általuk kiválasztott stabilizálószerek által), biológiai hatása (bioakkumuláció); mikrobiológiai tevékenység (szulfátredukció) • Az egyes technológiai megoldások kombinációja is elég gyakori – hosszú távú megoldást biztosít (tartós, irreverzibilis immobilizáció)

5. Intregrált megvalósítás Fizikai és kémiai eljárások A talaj alaposabb előkészítést igényel, károsodhat a szerkezete is Vitrifikáció Szennyezett terület körülhatárolása Fizikai eljárások Kémia eljárások II. (meszezés) Kémia eljárások I. (reaktív anyag) ... Biológiai stabilizáció bioremediáció fito-stabilizáció Összetételtől függően egy- vagy többlépcsős kémia kezelés alkalmazható

6. Fizikai-kémiai in situ technológiák • Vitrifikáció: elektródákat helyeznek a talajba, áram segítségével megolvasztják annak szilikátjait (1200-2000°C), ennek hatására üvegszerű (kémiailag stabil, szivárgásbiztos) képződmények zárják magukba a toxikus fémeket. • Talajszilárdítás, stabilizáció: A szennyezőanyagokat fizikailag megkötik (szorpció; szigetelőfalak) szilárdítják (cement, aszfalt injektálás) vagy kémiailag stabilizálják (komplex-, csapadékképzők segítségével oldhatatlan formák keletkeznek). Átmeneti vagy végleges mentesítési technológiaként is alkalmazzák. • Passzív és reaktív falak: A felszín alatti víz áramlási irányára merőlegesen kiépített kötényfallal, szádfallal, vagy résfallal visszatarthatják a vizet. Ennek kapcsán azonban hidrológiai problémák merülhetnek fel. Jobb megoldás, ha a falban egy reaktív kaput alakítanak ki. Ez a kapu ad helyet az in-situ reakciós zónának. A víz elsősorban a kapun keresztül képes áthaladni, amelyben a reakció (lebontás vagy visszatartás) lejátszódik. A szennyezőanyag visszatartása speciális anyagok adagolásával érhető el (elemi fémek, szorbensek, mikrobák), melyek hatására az lebomlik vagy koncentráltan megkötődik.

7. Fizikai-kémiai ex situ technológiák • Vitrifikáció:a kiemelt szennyezett talajt magas hőmérsékleten kemencékben,olvasztókbanüvegesítik; így értékes (üvegkerámia típusú) építőipari alapanyag állítható elő • Kémiai oxidáció/redukció:a kiszivattyúzott vizet rekatorban kezelik, ahol oxidáló vagy redukálószerek hatására a szennyezőanyagok részben vagy teljesen közömbösülnek, mobilitásuk csökken, vagy megszűnik. Oxidálószerek: ózon, hidrogén-peroxid, hipoklorit vagy klór-dioxid. Bevált technológia a cianiddal szennyezett hulladékok mentesítésére is. Redukálószerek: biszulfit (Cr(VI) Cr(III)-má való redukciójához) • Talajszilárdítás, stabilizálás:Az in-situ módszerrel szemben itt a keletkező anyagot el kell helyezni kontrollált lerakóhelyen. Ha értékes ipari alapanyag keletkezik, akkor felhasználásra is kerülhet. Leggyakoribb módszerei: • Bitumenes szilárdítás • Aszfalt emulzió • Módosított kén cement • Extrudálás polietilénnel • Portland cement • Oldható foszfát

8. In situ talajszilárdítás, stabilizáció Ex situ oxidációs-redukciós eljárás folyamata Forrás:http://www.kvvm.hu/szakmai/karmentes/kiadvanyok/karmkezikk4/index.htm

9. Ex situ talajszilárdítás, stabilizáció bitumen, aszfalt emulzió, módosított kéncement, portland cement… pl. bitumenes eljárás kihűlés vagy vízvesztés után szilárd termék keletkezik (megkötve tartalmazza a toxikus fémeket) aszfalt emulzióhoz hidrofil folyadék Ex situ technológiáról lévén szó az ártalmatlanított talajt el kell valahol helyezni, esetleg újra fel tudjuk használni Forrás:http://www.kvvm.hu/szakmai/karmentes/kiadvanyok/karmkezikk4/index.htm

10. SWOT-analízis • Erősségek (Strengths): a toxikus fémek viszonylag jó hatásfokkal stabilizálhatók, szilárd termékek keletkeznek, melyek másutt értékes alapanyagnak számítanak (építőipar); a szennyezés kiterjedésének megfelelő technológia választható. • Gyengeségek (Weaknesses):a szennyezett réteg mélysége jelentősen befolyásolja az alkalmazott technológiát; megváltozhat a talaj szerkezete (szilárdítási technikák); egyes módszereknél (reaktív/passzív résfal) fennáll a telítődés, így a regeneráció vagy a csere igénye; a mellettük lévő szerves anyagok gyakran más ártalmatlanítási technológiát igényelnek; a környezeti hatásokra érzékeny; néhány eljárás jelentős térfogatnövekedéssel jár; a kezelések korlátozzák a jövőbeli területhasználatot. • Lehetőségek (Opportunities): számos stabilizálási módszer más közegekben is alkalmazható; bioremediációval tovább növelhető a fizikai-kémiai immobilizáció hatásfoka (integrált rendszerek); más területeken kifejlesztett technológiák is átvehetők (pl. ivóvíz- és szennyvíztisztítás – oxidáció/redukció) esetleg az ott melléktermékként keletkező anyagok is felhasználhatóak (pl. szennyvíziszap). • Veszélyek (Threats): fennáll a remobilizáció veszélye (időzített kémiai bomba); kémiai eljárásoknál előfordul, hogy az immobilizált anyagnál veszélyesebb anyag(ok), ill. köztitermékek keletkeznek.

11. Alkalmazás – esettanulmány • Korábban bányászati hasznosítás alatt álló területek talajában előforduló fémszennyezettség megszüntetése • Gyöngyösoroszi és a Toka-patak völgye • cink- és ólombányászati terület • Cd, Zn, Pb, Cu, As szennyezés – kimutatás, hatásának vizsgálata: kémiai analitikai eljárások, biológiai akkumulációs tesztek, toxicitásvizsgálatok • cél: megfelelő adalékanyagot találni az immobilizáció elérésére • vizsgált adalékanyagok: • 1. oroszlányi pernye • 2. nyersfoszfát, mész-hidrát, alginit, lignit és ezek keveréke • 3. almásfüzitői vörösiszap, tatabányai pernye és ráckevei ill. csepeli szennyvíztisztítási Fe-Mn hidroxid csapadékok • Vizsgálati időtartam: 1.: 2 év, 2.: 17 hónap ill. 3.: 45 nap

12. Alkalmazás – eredmények • Eredmények: • pernye: hosszú távon csökkenti a fémek mozgékonyságát, extrahálhatóságát, biológiai hozzáférhetőségét • lúgos pH-jú, meggátolja hogy a H+ kiszorítsa a felületen szorbeálódott fémionokat • szilikátokat tartalmaz, ezzel elősegíti a másodlagos szilikátképződést, így visszaköti a fémeket az atom vagy molekularácsba • Mészhidrát, nyersfoszfát, alginit és lignit: együttes alkalmazásukkal érhető el a legjobb stabilizáció • mész-hidrát:a növénytoxicitást nem csökkentette, de összességében jó a stabilizációs hatása • lignit: ellenkező hatást váltott ki – növelte a fémek oldhatóságát és a talaj toxikusságát • Fe-Mn hidroxid, vörösiszap és tatabányai pernye: • legjobb hatást a vörösiszap eredményezte, a hidroxid-csapadékok is biztató eredményt mutattak • rövid távon a toxicitástesztek az idővel növekedést mutattak, ezért hosszabb távon is nyomon kell követni a folyamatokat, hogy a hatékonyságukról valós képet kapjunk • Hosszú távon a 2%-os erőművi pernyés kezelés mutatkozott a legalkalmasabbnak a toxikus fémek immobilizációjára. Erről bővebben olvashat: http://enfo.agt.bme.hu/drupal/?q=hu/node/140 (Kémiával kombinált fitostabilizáció 1-3)

13. Feigl, Gruiz, Atkári, Uzinger (2006): Fémmel szennyezett területek integrált kémiai és fitostabilizációja. Siófoki Országos Környezetvédelmi Konferencia és Szakkiállítás, 2006. szept. 19-21.

14. Eredmények • Pernye adalékolása: növényi növekedés jelzi a hatékonyságot Kezeletlen terület Kísérleti parcella – pernye adalékolás A képek forrása: http://www.mecsekoko.hu/htmls/

15. Felhasznált irodalom • www.mokkka.hu • http://www.kvvm.hu/szakmai/karmentes/kiadvanyok/ • Feigl, Gruiz, Atkári, Uzinger (2006): Fémmel szennyezett területek integrált kémiai és fitostabilizációja. Siófoki Országos Környezetvédelmi Konferencia és Szakkiállítás, 2006. szept. 19-21. • Ciccu, R. Heavy Metal Immobilization using Fly Ash in Soils Contaminated by Mine Activity - www.flyash.info