szilárdítása pernye felhasználásával

A TERMÉSZETES ÉS ÉPÍTETT KÖRNYEZET VÉDELME

6.1 4.3

Nehézfémmel szennyezett talaj stabilizálása/szilárdítása pernye felhasználásával Tárgyszavak: pernye; nehézfém; stabilizálás; talajvédelem.

Mai erősen iparosított világunk egyik legfőbb problémája a környezet védelme a hulladék keletkezésével és ártalmatlanításával kapcsolatos veszélyes szennyező anyagoktól. Számos módszert fejlesztettek ki a veszélyes hulladékok átalakítására nem mérgező formává és a toxikus vegyületek környezetbe való kibocsátásának csökkentésére. Az egyik ilyen ígéretes technológia a szilárd hulladékok stabilizálása/szilárdítása (S/S) cementáló kötőanyagok, például mész és cement adagolásával. A stabilizálási eljárások alkalmazásával a szennyező anyagban jelen levő toxikus alkotórészek fizikailag és kémiailag rögzítettek, mobilitásuk jelentősen csökken, és ezáltal lehetővé válik ezen hulladékok építőipari felhasználása. Az égetett mésszel vagy más kémiai adalékanyaggal stabilizált durva szemcséjű hulladékok általában rossz geotechnikai és környezeti tulajdonságúak, így nem elégítik ki az építőipari alkalmazások követelményeit. Ennek főként az az oka, hogy a durva szemcséjű hulladékoknak a cementáló reakciókhoz szükséges puccolán felszíni területe korlátozott kiterjedésű. Pernye adagolásával a puccolán felszíni terület növekszik, ezáltal a hulladékok egyes tulajdonságai, például a szilárdsága, megmunkálhatósága, pufferkapacitása (pH-változásokkal szembeni ellenálló képesség), illetve a nehézfémek kilúgozódási képessége javulhat. A pernyét a szakirodalomban úgy definiálják, mint az aprított vagy porított kőszén égéséből származó finomeloszlású égéstermék, amelyet a tűztérből a kazánon keresztül a füstgáz szállít. Puccolán természetének köszönhetően a pernyét különféle építőipari alkalmazásokban (pél-

dául cement- és betontermékek, szerkezeti feltöltések, utak alapzata és ágyazata) lehet felhasználni. A kis bitumentartalmú szén égése során kalciumban gazdag Ckategóriájú pernye keletkezik, amely sikeresen alkalmazható az építőiparban. A bitumenes szén és barnakőszén égése során kisebb kalciumtartalmú (F-kategóriájú) pernye keletkezik, amelynek a cementáló jellemzői gyengébbek, de mész adagolásával a C-kategóriájú pernyéhez hasonlóan a puccolán reakciók elkezdődnek, amelyek kalcium-alumíniumés kalcium-szilikát-hidrát (CAH és CSH) cementálóanyagok képződéséhez vezetnek. A hulladéknak minősülő és ártalmatlanítandó pernye adagolása szennyezett közegek kezelésére gazdaságos módszer lenne, mivel csökkentené az ártalmatlanítási költségeket és enyhítené a negatív környezeti hatásokat. Tágabb értelemben a pernye kategóriájába sorolnak számos más égésterméket is, például az égetőművek hamuját, a kazánsalakot, füstgáz-kéntelenítési hulladékot, főként textúrájuk, fizikai– kémiai tulajdonságaik hasonlósága következtében. A pernye mesterséges puccolánnak tekinthető, amelynek mésszel végbemenő reakciója jelentősen javítja a szilárdságot. Megvizsgálták stabilizálási/szilárdítási (S/S) rendszerben a pernye alkalmazását égetett mész és szulfátsók hozzáadása mellett nehézfémmel [ólommal (Pb2+) és krómmal (Cr3+ és Cr6+)] mesterségesen szennyezett durva szemcséjű talaj minőségének javítására. A nehézfémszennyezés mellett a szulfátok hozzáadását is nyomon követték, hogy az eredményeket kiterjeszthessék más melléktermékek újrahasznosítására (égetőművi hamu, füstgáz-kéntelentési hulladékok) is. A vizsgálat fő céljai az alábbiakban foglalhatók össze: 1. Ólom, III- és VI-vegyértékű króm immobilizálása szilárdított mátrixon belül. A kezelés végtermékének az EPA (Egyesült Államok Környezetvédelmi Ügynöksége) által közzétett TCLP (kilúgozási eljárás toxicitási jellemzői) kritériumoknak kell megfelelni, amely szerint a vizsgált nehézfémek felszabadulása 5 ppm mennyiségig nem veszélyes. 2. A kezelés során nyert végtermékeknek mint könnyen elérhető építőipari anyagoknak a vizsgálata az újrafelhasználás céljára; ehhez a szilárdsági és duzzadási tesztek eredményei nyújtották a legfontosabb információkat. 3. A nehézfémek immobilizációját szabályozó mechanizmusok tisztázása a kezelt talajban. Ehhez a nehézfémek kilúgozási eljárását, kontrollált extrakciós vizsgálatokat, röntgendiffrakciós (XRD),

illetve pásztázó elektronmikroszkópos és energiadiszperzív röntgensugár (SEM–EDX) analíziseket alkalmaztak. Az égetett mésszel, nátrium-szulfát-dekahidráttal és pernyével stabilizált szennyezett talajkeverékek laboratóriumi értékelése során nyomon követték a kezelt és nem kezelt minták szilárdságát, duzzadását, kilúgozási (TCLP) koncentrációit, ásványtani és mikromorfológiai jellemzőit.

Az oltott meszes S/S kezelés alapelvei Jelentős mennyiségű mész adagolása a talaj–pernye keverékhez a talaj–pernye–mész keverék pH-értékét megközelítően 12,8-ra növeli, amely a telített meszes víz pH-ja, és a természetes talajüledékek 5 és 8 közötti tartományban elhelyezkedő pH-értékével összehasonlítva meglehetősen nagy. Ezen a megnövekedett pH-értéken a pernyében és agyagásványokban jelen levő szilícium-dioxid és alumínium-oxid oldékonysága jelentősen fokozódik, ezáltal reakcióba léphetnek a mészben és/vagy pernyében található kalciummal a CAH és CSH cementáló hidrátok képződése céljából. Az az általános nézet, hogy ezeknek a kalcium-alumínium-szilikát-hidrátoknak a kialakulása felelős elsősorban a kezelt talajok jó szilárdságáért, kismértékű duzzadásáért, a felszíni szorpción, beékelődésen és fizikai visszatartáson keresztül végbemenő nehézfém-immobilizációért. Néhány tipikus talaj–mész (puccolán) reakció egyszerűsített sémája a következő: Ca(OH)2 ⎯→ Ca2+ + 2 OH− Ca2+ + 2 OH− + SiO2 (szilícium-dioxidos agyag) ⎯→ CSH Ca2+ + 2 OH− + Al2O3 (alumínium-oxidos agyag) ⎯→ CAH, ahol: C = CaO, S = SiO2, A = Al2O3 és H = H2O. A képződött hidrátok típusa a reakciókörülményektől (például mész mennyisége és típusa, talaj jellemzői, kötési idő, hőmérséklet) függ. A talaj és/vagy talajvíz oldatának szulfáttartalma reakcióba léphet a talajból felszabadított alumínium-oxiddal kalcium-aluminát-szulfát-hidrát vegyületek képződése mellett, amely végső soron [Ca3Al(OH)6]2(SO4)3 · 26 H2O összetételű, tűszerű kristályszerkezetű ettringit kialakulásához vezethet.

Az ettringit vízzel érintkezve erőteljesen duzzad, ami az előzetesen immobilizált toxikus nehézfémkomponenseknek a szomszédos víztestekbe való felszabadulásához vezethet. Különféle körülmények között vizsgálják az ettringit képződését és az ezt követő hidratálást, az ettringitképződést előidéző okokat, illetve azt a tényt, hogy a bezárt ettringit nem segíti-e elő a duzzadást. Tanulmányozták az ettringit és a többi cementáló kezelés termékeinek hatását a kezelést követő nehézfém−immobilizációra és szilárdságnövekedésre.

Kísérleti módszerek A kezelés folyamán a nehézfémsókkal és oxidokkal mesterségesen szennyezett agyag–homok keverékeket szárazon égetett mésszel (CaO) és nátrium-szulfáttal keverték. A mesterséges talajkeverékek számára két különböző típusú agyagot, kaolinitet és montmorillonitot használtak. Főként a kaolinit–homok talajkeverékeknél tapasztalt eredményekre összpontosítottak. A kezelés magában foglalta a szárazon kevert talajok tömörítését az optimális víztartalom eléréséig, majd a tömörített minták keményedését. Az egyes keményedési periódusokat követően a mintákat különböző körülmények között vizsgálták kilúgozási potenciáljuk és feszültség-alakváltozási jellemzőik meghatározására. A tömörített minták mechanikai és fizikai–kémiai viselkedése képezte az értékelés alapját a nehézfém szennyeződés immobilizációjának mértékére, és a kezelt hulladékok újrahasznosítási potenciáljára vonatkozóan. Az oltott meszes kezelés hatékonyságát a nehézfémek kilúgozódási képessége, szabad összenyomási szilárdsága és duzzadása alapján értékelték. A nehézfém-immobilizáció alapvető mechanizmusainak tisztázása céljából ezek mellett még röntgendiffrakciós (XRD) és pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) meghatározásokat is alkalmaztak. Az 1. ábra a kísérleti eljárás sematikus ábrázolása. Vizsgálati anyagok Az 1. táblázatban a pernye, kaolinit, montmorillonit és égetett mész kémiai összetétele látható. Szennyező forrásként Cr6+, Cr3+ és Pb2+ számára analitikai minőségű kálium-kromátot (K2CrO4), króm-nitrátot (Cr(NO3)3) és ólom-oxidot (PbO) alkalmaztak.

szilárdsági teszt oltott mész adagolása nehézfémmel szennyezett mesterséges talajok

duzzadási teszt TCLP extrakció

C-kategóriájú pernye adagolása

keverés, tömörítés és öregítés

XRD és SEM oszlop kilúgozás

víz adagolása

tartóssági tesztek monolitikus kilúgozás

1. ábra A kísérleti módszer vázlata 1. táblázat A vizsgálatban felhasznált anyagok jellemzői Összetétel

Tartalom, % kaolinit

Szilícium-dioxid Alumínium-oxid Vas-oxid Kalcium-oxid Magnézium-oxid Kén-trioxid Nátrium-oxid Kálium-oxid Titán-dioxid R2O3 Égési veszteség

45,70 38,50 0,40 0,20 0,10 – 0,04 0,10 1,40 – 13,60

montmorillonit 67,20 15,20 1,87 1,92 3,20 – 2,58 0,96 0,16 – 5,70

égetett mész 1,20 – – 95,40 0,85 0,012 (mint kén) – – – 0,75 0,55

pernye 34,2 19,3 5,64 25,8 5,07 2,2 2,04 0,52 – – 0,11

Mesterségesen szennyezett talaj készítése Az agyagból és finom kvarcból álló mesterséges talajmintákat előkészítették a stabilizálási/szilárdítási kísérletekhez. Az agyag–homok ke-

verék alkalmazása előnyösebb a tiszta agyagnál, mivel tömörítése könynyebben végrehajtható, illetve tulajdonságai jobban közelítenek a természetes talajmintákéhoz. A pernye hozzáadásával okozott hígító hatás elkerülésére az összes szennyező anyagot egyidejűleg adagolták. Ezt követően az égetett meszet, nátrium-szulfát-dekahidrátot és vizet hozzáadták, majd keverés után a mintákat 24 órán keresztül öregítették, hogy a Cr6+-redukció lejátszódjon. A mintákat ezután az optimális víztartalom eléréséig tömörítették, majd 20 °C-on 95%-os relatív páratartalom mellett érlelték. A minták kiterjedése a végrehajtott vizsgálat típusának megfelelően változott. A tömörített mintákat a szabad összenyomási szilárdságra és függőleges duzzadásra vonatkozó vizsgálatok előtt 28 napig érlelték.

Vizsgálati eredmények és értékelésük Szilárdság és duzzadás A durva szemcséjű kezeletlen talaj (5% kaolinit és 0% égetett mész) jelentéktelen szabad összenyomási szilárdsággal rendelkezett. Égetett meszes kezeléssel jelentős szilárdságnövekedés figyelhető meg szulfát hozzáadása nélkül, és szulfát jelenlétében egyaránt. Az agyagos talajokban égetett mész adagolása mellett szulfát jelenlétében valószínűleg ettringit képződik. A kaolinit agyagtartalom 30%-ra növelésével még nagyobb szilárdsági javulást értek el; a szulfát jelenlétének azonban nem volt nyilvánvaló hatása. A nagyobb szilárdság a fokozott puccolántermék-képződésnek tulajdonítható a megnövekedett mennyiségű agyag (szilícium-dioxid és alumínium-oxid) jelenléte következtében. Szulfát hozzáadása nem befolyásolta a szilárdságot feltehetően amiatt, hogy ettringit helyett monoszulfát-hidrát képződött. Korábbi vizsgálati eredmények alapján az 1-nél nagyobb alumínium-oxid/szulfát mólarány a szilárd agyagban a monoszulfát-képződésnek, míg az 1-nél kisebb mólarány az ettringitképződésnek kedvez. Itt az agyagtartalom 5%-ról 30%-ra növelésével az alumínium-oxid/szulfát mólarány 1-nél kisebb értékről több mint 1-re változott. A monoszulfát réteges szerkezete következtében nem olyan hatékony szilárdsági tényező, mint az ettringit. Pernye adagolásával a kezeletlen, jelentéktelen agyagtartalmú, durva szemcséjű talajkeverék (5% kaolinit, 25% C-kategóriájú pernye, 70% homok és 0% égetett mész) szilárdsága erőteljesen növekedett. A kaolinit–pernye–homok keverék (5% kaolinit, 25% C-kategóriájú pernye és 10% mész) elegyítése további 10%-os égetett mésszel még jelentősebb mértékű szabad összenyomási szilárdságot eredményezett szulfát nélkül

és szulfát adagolásával egyaránt. A pernye mész jelenlétében kiváló szilárdságnövelő tényező, különösen puha talajok esetén. Az égetett mész– pernye kezelés a szilárdsági érték majdnem 1000-szeresét eredményezte a kezeletlen talajhoz képest. A 30% kaolinit, 10% mész összetételű minta röntgendiffrakciós analízise a 28 napos öregítési idő alatt olyan puccolántermék-képződést mutatott, amelyben elsősorban kalcium-szilikát-hidrátot (CSH) és kalciumszilikát-hidroxidot (CSH∗) azonosítottak. Kis mennyiségű többletmész (Ca(OH)2) jelenléte arra utalt, hogy a puccolánreakciók nem fejeződtek be a 28 napos periódus végére. Szulfát hiányában kalcium-alumíniumhidrát termékek (CAH vagy ettringit) nem voltak azonosíthatók. Ezzel szemben szulfát jelenlétében (30% kaolinit, 10% égetett mész, 5% nátrium-szulfát) kalcium-alumínium-szulfát-hidrát termékek képződését tapasztalták. A monoszulfát-hidrát mellett ettringit is jelen lehetett, mivel mindkettő azonos röntgendiffrakciós rajzzal rendelkezik. A CSH és a hidratált, illetve égetett mész formájú többletmész jelenléte a folyamatban levő puccolánreakciókra utalt. Csekély mennyiségű Al2O3 a monoszulfáthidrátok jelenlétét támasztja alá. Ha monoszulfát képződik ettringit helyett, kevesebb alumínium-oxid használódik fel, ezáltal a többlet alumínium-oxid felszabadul az agyagból és nem használódik el a puccolánreakciókkal. Az égetett mésszel kezelt pernye–agyag–homok szilárd mátrix (5% kaolinit, 25% C-kategóriájú pernye, 10% égetett mész) röntgendiffrakciós analízise ettringit és kalcium-szilikát-hidroxid puccolántermék, valamint kevés többletmész jelenlétét mutatta. Pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálatok meggyőző bizonyítékot szolgáltattak ettringit jelenlétére kaolinit–homok keverékben (30% kaolinit, 10% égetett mész, nátrium-szulfát) és égetett mésszel kezelt pernye–agyag–homok keverékben (10% égetett mész, 5% kaolinit, 25% Ckategóriájú pernye). Az ettringit jelenléte a szilárdság előnyös változása mellett a víz jelenlétében előidézett térfogatnövekedéssel káros hatásokat is eredményezhet. A 2. ábrán a függőleges duzzadást ábrázolják a keverékek paramétereinek függvényében. Nyilvánvalóan látható, hogy a szulfátadagolás, az ezt követő ettringitképződés és az ettringitindukálta duzzadás erős cementáló kohéziós erő hiányában valóban káros mértékű függőleges terjeszkedést (8,62%) okoz a kaolinit–homok–égetett meszes mintákban. Ezzel szemben pernye jelenlétében a cementáló hatás képes legyőzni az ettringitindukálta duzzadási nyomást, és a minták érintetlenek maradnak a víz hatása alatt.

8,62

9

függőleges duzzadás, %

8

szulfát nélkül 5% Na2SO4 10H2O Na2SO 4 · 10H 2O

7 6 5 4 3 2 1

0,99 0,07

0,07*

0,13 0,14

0 5% kaolinit, 0% égetett mész

30% kaolinit, 10% égetett mész

5% kaolinit, 5% kaolinit, 25% C-kategóriájú 25% C-kategóriájú pernye, 0% égetett pernye, 10% égetett mész mész

2. ábra A minták maximális függőleges duzzadási értékei különféle szilárd keverékek esetén szulfátadagolással és anélkül, 28 napos öregítést követően Kiegészítő kísérletsorozatban – ahol a kohéziós erők a stabilizált szilárd mátrixon belül nem tudták legyőzni a víz hatására kialakuló ettringitterjeszkedést – változó mennyiségű bárium-hidroxidot adagoltak a 30% kaolinit, 10% égetett mész és 5% nátrium-szulfát keverékhez a túlzott mértékű duzzadás megakadályozására. A 3. ábrán látható a függőleges duzzadás jelentős csökkenése bárium-hidroxid-adagolás hatására a bárium-hidroxid/nátrium-szulfát mólarány függvényében. A bárium-hidroxid adagolása legalább 0,2 értékű mólarány esetén elegendő az ettringitindukálta duzzadás hatékony szabályozására. Bárium-hidroxid túlzott adagolása azonban ellentétes hatást fejt ki az ettringitképződésre, mivel elmozdítja a termodinamikai egyensúlyt a bárium-szulfát-képződés irányába, így a szulfátionok hozzáférhetetlenné válnak az ettringitképződés számára. A kezelt minták mechanikai jellemzőinek vizsgálatával kimutatták, hogy nagy szilárdságú, kisebb duzzadású szilárd anyagok állíthatók elő megfelelő kezelésekkel, különösen bőséges szulfát jelenlétében. Ily módon a kezelések olyan szilárd anyagokat eredményeznek, amelyek meg-

függőleges duzzadás, %

felelő szilárdsági és duzzadási tulajdonságokkal rendelkeznek a kezelt talaj könnyen elérhető építőanyagként való újrafelhasználásának céljára. 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

30% kaolinit, 10% égetett mész és nátriumszulfát

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Ba(OH)2/Na2SO4 mólarány

3. ábra A minták maximális függőleges duzzadása a bárium-hidroxid/nátrium-szulfát mólarány függvényében

Kilúgozási tesztek • Ólom A kezelt talajokat a nehézfémek kilúgozására vonatkozóan is vizsgálták. A minták 28 napos öregedését követően az ólom felszabadulásának mértéke csak égetett mész és pernye adagolása esetén csökkent az előírt 5 ppm küszöbérték alá (4. ábra). Az ólom immobilizációját eredményező mechanizmusok és kísérleti körülmények tisztázására mésszel kezelt agyag–homok keverékekkel TCLP-alapú extrakciós kísérletetet hajtottak végre, amelyek segítségével kimutatták, hogy az ólom immobilizációjához a kilúgozási kezelés pH-ja 8 és 11 között optimális. Az ólom oldhatósági kísérletei alapján megállapították, hogy nagyobb pH-értéknél égetett meszes kezelés esetén az ólom immobilizációját oldhatósági tulajdonsága nem befolyásolja. 9-nél nagyobb pH esetén az adszorpciós mechanizmus az uralkodó, mivel az ólom felszabadulása oldhatóságánál jóval kisebb. Ezzel szemben 9-nél kisebb pH esetén, habár valamennyire befolyásolja a felszíni adszorpció is, az ólom felszabadulását többnyire oldhatósága szabályozza. Pernye adagolása az ólom immobilizációjára pozitívan hat a kisebb agyagtartalmú, égetett mésszel kezelt talajok esetén.

300

292 259 égetett mész nélkül 10% égetett mésszel

TCLP ólom (ppm)

250 200 150

125,6

124

100 50 6,4

1,2

0 5% kaolinit

30% kaolinit

5% kaolinit, 25% C-kategóriájú pernye

4. ábra Ólomkilúgozási TCLP-szintek égetett meszes kezeléssel vagy anélkül különböző szilárd keverékek 28 napos öregítését követően

180

175

TCLP ólom (ppm)

160

égetett mész nélkül

128,8

140

10% égetett mésszel

120 100 80 60 40 20 0

0,03

0,01

5% kaolinit

30% kaolinit

11,4

0,1

5% kaolinit, 25% C-kategóriájú pernye

5. ábra Cr(III)-kilúgozási TCLP-szintek égetett meszes kezeléssel vagy anélkül különböző szilárd keverékek esetén 28 napos öregítés után

• Króm Az 5. ábra alapján látható, hogy a három vegyértékű króm TCLP kilúgozódása jelentős volt a kezeletlen kaolinit–homok keverékben, és ez tovább fokozódott az agyagtartalom 30%-ról 5%-ra csökkentésével. Égetett meszes kezeléssel, függetlenül az agyagtartalomtól, a krómfelszabadulás mértéke az 5 ppm-es küszöbérték alá csökkent. Abból a megfigyelésből, hogy a króm felszabadulását nem befolyásolja az agyag változó mennyisége, arra lehet következtetni, hogy az immobilizációt a króm-hidroxidok oldhatósága szabályozza, és nem a felszíni adszorpció. A króm-hidroxidok általában oldhatatlanok az égetett mész hozzáadásával kialakuló magasabb pH-tartományban. Pernye adagolása – lúgos kémhatása következtében – a kezeletlen mintában jelentősen csökkentette a króm kilúgozhatóságát. Ezzel szemben a pernye hatására az égetett mésszel kezelt mintában a kilúgozhatóság nem csökkent erőteljesen, mert a króm felszabadulása már amúgy is jelentéktelen volt. A három vegyértékű króm immobilizációjáért felelős mechanizmusokat kontrollált extrakciós és oldhatósági kísérletekkel próbálták tisztázni. A króm felszabadulását az oldhatósági jellemzők befolyásolják, ha a kilúgozás pH-ja 6-nál nagyobb; általánosságban megállapítható, hogy az égetett mész adagolása lúgos természete következtében mindig 6-nál nagyobb pH-értéket eredményez, ezért a króm immobilizációját meszes kezelés esetén az oldhatatlan hidroxidok precipitációja irányítja. Ez magyarázza, hogy miért csak a pernye adagolása fokozhatja a króm immobilizációját a kisebb pH-tartományban, ahol a felszíni adszorpció a szabályozó immobilizációs mechanizmus. A hat vegyértékű krómmal végzett kísérletek során megállapították, hogy felszabadulásának mértékét mész adagolásával nem lehet csökkenteni. Bár a pernye mennyiségének növelése a Cr(VI) felszabadulást fokozatosan csökkenti (6. ábra), de mégsem tudja hatékonyan csökkenteni a koncentrációt az 5 ppm küszöbérték alá. A Cr(VI) hatékony immobilizálásához az égetett mész és pernye együttes adagolása szükséges. A vizsgálati eredmények alapján a Cr(VI) immobilizációjáért az égetett mész–pernye kezelés során három típusú mechanizmus lehet felelős: 1. A pernye redukálja a Cr6+ formát Cr3+ formává, ezután a Cr3+ hatékonyan immobilizálódik az égetett mész okozta nagy pH-érték mellett az oldhatatlan króm-hidroxidok precipitációja következtében. 2. A Cr6+ adszorpciója következtében hatékonyan immobilizálódik a pernyén nagyobb pH-értékek mellett.

3. Ettringitképződés során megfigyelhető a szulfátion izomorf szubsztitúciója a kromátion által, így a Cr6+ ettringit kristályba való beékelődéssel immobilizálódik. 250 217,2

TCLP Cr(VI), ppm

150

égetett mész nélkül 10% égetett mésszel

189,7

200

172,2 149,8

145,7 103,3

90,5

100

50 15,6

3,8

0 5% kaolinit

5% kaolinit, 5% C-kategóriájú pernye

5% kaolinit, 10% Ckategóriájú pernye

5% kaolinit, 15% Ckategóriájú pernye

0,4

5% kaolinit, 25% Ckategóriájú pernye

6. ábra Cr(VI)-kilúgozási TCLP-szintek égetett meszes kezeléssel vagy anélkül különböző szilárd keverékek esetén 1 napos öregítés után A kísérletek során pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) elemzésekkel kimutatták az ettringitszerű kristályok jelenlétét mind a kezeletlen, mind az égetett mésszel kezelt pernye–kaolinit–homok mintákban. Azonban az ettringitszerű kristályfelszínek elsődleges összetételének energiadiszperzív röntgensugaras (EDX) tanulmányozása folyamán csak jelentéktelen mennyiségű krómhelyettesített ettringitet azonosítottak. A röntgendiffrakciós vizsgálatok szintén nem tették lehetővé a krómszubsztituált ettringit kimutatását. Habár a Cr6+ immobilizációja ettringit kristályba való beékelődéssel nem kizárható, a szabályozó immobilizációs mechanizmus mégsem lehet ez. Az égetett mész–pernye kezelés során lezajló Cr6+-immobilizációért felelős mechanizmus részletes megismerésére szabályozott extrakciós kísérleteket végeztek széles pH-tartományban különböző keverékeken. A pH-tól függetlenül pernye hiányában a Cr6+ felszabadulása mindig je-

lentős, azonban csökken égetett mész hozzáadására és az agyag menynyiségének 5%-ról 30%-ra növelésére. Pernye adagolásával égetett meszes kezelés jelenlétében a króm kibocsátása tovább csökken, de csak nagyobb pH-értéknél tud hatékonyan immobilizálódni. A vizsgálati eredmények alapján úgy tűnik, hogy mész és pernye jelenlétében a króm felszabadulása erőteljesen függ az extrakció pH-értékétől. A pH növelése a króm felszabadulásának csökkenését eredményezi, a legkisebb kibocsátás körülbelül pH = 12-nél tapasztalható. Az eredmények egyik lehetséges magyarázata, hogy a kezelt talajokban főként a felszíni kölcsönhatások felelősek a Cr6+ felszabadulásának csökkenéséért. A pernye – öszszehasonlítva a kaolinittal – kiválóan alkalmas Cr6+ immobilizációjára. Egy másik lehetséges magyarázat alapján a Cr6+ kémiailag beékelődik a puccolán cementáló vegyületekbe. A szilárdsági és röntgensugaras elemzési adatok nyilvánvalóan mutatják, hogy ugyanolyan mennyiségű mész adagolása esetén a pernye több cementálóterméket képez, mint a kaolinit, ezáltal a kémiai kötés valószínűbb mechanizmusnak tűnik.

Következtetések Az iparosított országokban nélkülözhetetlen a pernye és más ipari melléktermékek felhasználásának növelése az ártalmatlanítási költségek csökkentése céljából. Puccolán természete következtében a pernye hatékonyan alkalmazható az építőiparban. Ólommal (Pb2+) és krómmal (Cr3+ és Cr6+) szennyezett talajok égetett meszes/szulfátos kezelése folyamán értékelték a pernye alkalmazását. Pernyével az égetett meszes – szulfátos szilárdítási kezelések folyamán a betontermékekéhez hasonló jelentős szilárdságú, duzzadásnak ellenálló monolitikus szilárd termék képződik. A kezelés egyetlen prolémája az ásványi ettringit képződése, mivel az ettringit víz hatására bekövetkező duzzadása csökkenti a kezelt talaj szilárdságát. Minimális mennyiségű bárium-hidroxid adagolása hatékony az ettringitképződés és az ezt követő duzzadás megakadályozásában. Az ólom és a hat vegyértékű króm hatékony immobilizációját a felszíni kölcsönhatások és az oldat pH-értéke szabályozza. Az ólom addig immobilizálódott hatékonyan az égetett meszes – szulfátos kezelés során, amíg a kilúgozási pH 8–11 közötti értékű. A kezelés alkalmazása mellett a kilúgozási pH-érték azonban mindig nagyobb 8-nál, sőt legtöbb esetben még 11-nél is; ennek következménye, hogy az ólom felszabadulásának mértéke a megengedett küszöbértéknél nagyobb. A kezelés

csak pernye jelenlétében hatékony, mivel így növelhető az immobilizációs pH-érték a megfelelő tartományba. A hat vegyértékű króm hatékony immobilizációjához a pernye adagolása feltétlenül szükséges. A vizsgálati eredmények szerint ez az immobilizáció a pernye által indukált, Cr6+ formának Cr3+ formává redukcióján keresztül nem valósítható meg. Továbbá annak ellenére, hogy a Cr6+ izomorf szubsztitúcióját az ettringit kristályszerkezetébe nem lehet kizárni, ez mégsem lehet a Cr6+ immobilizációját szabályozó mechanizmus. A hat vegyértékű króm immobilizációja a pernye felszínén lezajló fizikai– kémiai interakcióknak tulajdonítható, ami a mátrix pH-értékének növelésével fokozható. Króm immobilizációjának optimális pH-ja pernye jelenlétében megközelítően 12, és ez szintén szükségessé teszi az égetett mész adagolását. A három vegyértékű króm szintén hatékonyan immobilizálódott az égetett mész/pernye kezeléssel. Nagyobb pHértékeknél a folyamatot az oldhatatlan hidroxidok kicsapódása szabályozza, a pernye alkalmazása csak a kisebb pH-tartományban volt előnyös. A nehézfémmel szennyezett talaj égetett meszes – szulfátos stabilizációs kezelése során főként a pernye adagolásával érhető el hatékony immobilizáció. Ez megvalósítható a kezelt talaj adszorpcióval szabályozott immobilizációs kapacitásának fokozásával, mivel a pernye alkalmazása növeli az ólom és króm immobilizációjának pH-tartományát. Pernye adagolásával jelentős javulást értek el a kezelt talaj feszültségalakváltozási tulajdonságaiban, ezáltal lehetővé válik annak építőipari hasznosítása. Összeállította: Molnár Kinga Dermatas, D.; Meng, X.: Utilization of fly ash for stabilization/solidification of heavy metal contaminated soils. = Engineering Geology, 70. k. 3/4. sz. 2003. nov. p. 377– 394. Phair, J. W.; van Deventer, J. S. J.; Smith, J. D.: Effect of Al source and alkali activation on Pb and Cu immobilization in fly ash based „geopolymers”. = Applied Geochemistry, 19. k. 3. sz. 2004. p. 423–434. Tiruta-Barna, L.; Imyim, A.; Barna, R.: Long-term prediction of the leaching behavior of pollutants from solidified wastes. = Advances in Environmental Research, 8. k. 3– 4. sz. 2004. márc. p. 697–711.

Egyéb irodalom Racskó J.: Környezetkímélő talajművelés–talajtakarás a zöldésg- és gyümölcstermesztésben. = Ökológia, Környezetgazdálkodás, Társadalom, 12. k. 1–2. sz. 2004. p. 37–55. Drexler Sz.; Horváth G.; Karancsi Z.: Turizmus, természetvédelem és tájhasznosítás kapcsolata egy nógrádi kistájrészlet példáján. = Földrajzi Közlemények 2003. 1–4. sz. p. 45–61. Kiss G.; Horváth G.: A természetvédelmi értékelések kritériumainak értelmezése és földtudományi értékekre való alkalmazhatósága. = Földrajzi Közlemények, 2003. 1– 4. sz. p. 63–75. Munkácsy B.: Szélturbinák a tájban – az energetikai célú szélenergia-alkalmazások megítélése a tájhasználat és a tájvédelem tükrében. = Földrajzi Közlemények, 2003. 1–4. sz. p. 77–86.