Toxikus fmek fizikai s kmiai immobilizcija Ksztette Kirly

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

Fogalmak n Nehézfémek: nagy atomsúlyú fémek vagy félfémek; definíciójuk sokféle lehet (tudományterületenként eltérő) q q q 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 n Immobilizáció: n Fizikai-kémiai 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 fizikaikémiai és biológiai hozzáférhetőségét szüntetik meg. Az immobilizáció elérésének az a módja, amikor fizikai, kémiai vagy biológiai kezeléssel a talaj fizikai-kémiai paramétereinek (p. H, 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.

Immobilizációs technológia n 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. n Talajra mind in situ (talajba kevert nagy fajlagos felületű anyagok - zeolit, kalcit, bentonit) mind ex situ (keverő reaktorban puzollán anyagok hozzáadása) módon alkalmazható. n 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)

Immobilizáció a talajban n n Nem a szennyezőanyag eltávolítása a cél, terjedésének és hozzáférhetőségének (víz általi: kimosás, erózió; biota általi: növényi felvétel) lehetőségét akarjuk megszüntetni Technológiai megoldások: q q n fizikai-kémiai stabilizálás: szilárdítással, beágyazással (beton, gipsz, bentonit, bitumen, polimerek felhasználása) kémiai stabilizálás: oldhatatlan kémiai forma létrehozása (p. H 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)

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

Fizikai-kémiai in situ technológiák n Vitrifikáció: elektródákat helyeznek a talajba, áram segítségével megolvasztják n Talajszilárdítás, stabilizáció: A szennyezőanyagokat fizikailag megkötik n Passzív és reaktív falak: A felszín alatti víz áramlási irányára merőlegesen annak szilikátjait (1200 -2000°C), ennek hatására üvegszerű (kémiailag stabil, szivárgásbiztos) képződmények zárják magukba a toxikus fémeket. (szorpció; szigetelőfalak) szilárdítják (cement, aszfalt injektálás) vagy kémiailag stabilizálják (komplex-, csapadékképzők segítségével oldhatatlan formák keletkeznek). Átmeneti vagy végleges mentesítési technológiaként is alkalmazzák. 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.

Fizikai-kémiai ex situ technológiák n Vitrifikáció: a kiemelt szennyezett talajt magas hőmérsékleten kemencékben, n Kémiai oxidáció/redukció: a kiszivattyúzott vizet rekatorban kezelik, ahol n Talajszilárdítás, stabilizálás: Az in-situ módszerrel szemben itt a keletkező olvasztókban üvegesítik; így értékes (üvegkerámia típusú) építőipari alapanyag állítható elő 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) anyagot el kell helyezni kontrollált lerakóhelyen. Ha értékes ipari alapanyag keletkezik, akkor felhasználásra is kerülhet. Leggyakoribb módszerei: n Bitumenes szilárdítás n Aszfalt emulzió n Módosított kén cement n Extrudálás polietilénnel n Portland cement n Oldható foszfát

In situ talajszilárdítás, stabilizáció Ex situ oxidációs-redukciós eljárás folyamata Forrás: http: //www. kvvm. hu/szakmai/karmentes/kiadvanyok/karmkezikk 4/index. htm

Ex situ talajszilárdítás, stabilizáció bitumen, aszfalt emulzió, módosított kéncement, portland cement… pl. bitumenes eljárás aszfalt emulzióhoz hidrofil folyadék kihűlés vagy vízvesztés után szilárd termék keletkezik (megkötve tartalmazza a toxikus fémeket) 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/karmkezikk 4/index. htm

SWOT-analízis n Erősségek (Strengths): a toxikus fémek viszonylag jó hatásfokkal n Gyengeségek (Weaknesses): n Lehetőségek (Opportunities): számos stabilizálási módszer más n Veszélyek (Threats): fennáll a remobilizáció veszélye (időzített kémiai stabilizálhatók, szilárd termékek keletkeznek, melyek másutt értékes alapanyagnak számítanak (építőipar); a szennyezés kiterjedésének megfelelő technológia választható. 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. 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). bomba); kémiai eljárásoknál előfordul, hogy az immobilizált anyagnál veszélyesebb anyag(ok), ill. köztitermékek keletkeznek.

Alkalmazás – esettanulmány n Korábban bányászati hasznosítás alatt álló területek talajában előforduló fémszennyezettség megszüntetése q Gyöngyösoroszi és a Toka-patak völgye n cink- és ólombányászati terület n Cd, Zn, Pb, Cu, As szennyezés – kimutatás, hatásának vizsgálata: kémiai analitikai eljárások, biológiai akkumulációs tesztek, toxicitásvizsgálatok n cél: megfelelő adalékanyagot találni az immobilizáció elérésére n vizsgált adalékanyagok: q q q n 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

Alkalmazás – eredmények n Eredmények: q q pernye: hosszú távon csökkenti a fémek mozgékonyságát, extrahálhatóságát, biológiai hozzáférhetőségét n lúgos p. H-jú, meggátolja hogy a H+ kiszorítsa a felületen szorbeálódott fémionokat n 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 n lignit: ellenkező hatást váltott ki – növelte a fémek oldhatóságát és a talaj toxikusságát Fe-Mn hidroxid, vörösiszap és tatabányai pernye: n legjobb hatást a vörösiszap eredményezte, a hidroxid-csapadékok is biztató eredményt mutattak n rövid távon a toxicitástesztek az idővel növekedést mutattak, ezért hosszabb távon is nyomon kell követni a folyamatokat, hogy a hatékonyságukról valós képet kapjunk n q n 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)

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

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

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