DE102004051673A1 - Binder for a waste material that contains heavy metals, comprises using ash material from fossil fuels - Google Patents

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Abstract

A process for producing a binder for waste material that contains heavy metals, comprises using ash material from fossil fuels. The solubility or concentration of the phase forming CaO, Al2O3 and solid SO3 is achieved according to the formula 3CaO + Al2O3 + 3CaSO4 + 32H2O = C3A.3Cs.32H, where the pH is 11-13. The ratios of CaO:Al2O3:SO3 are 1:0.25-0.35:0.65-0.75. The components are mixed with 20-40% water. The layer thickness is 150-300mm.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Deponiebinders zur Immobilisierung schwermetallhaltiger Abfälle auf einer Deponie, wobei als Deponiebinder vorrangig verschiedene Aschen, Reststoffe und schadstoffhaltige Abprodukte zum Einsatz kommen.The The invention relates to a method for producing a landfill binder for the immobilization of heavy metal waste in a landfill, wherein As a dumpster primarily different ashes, residues and pollutant-containing waste products are used.

Bekannt ist ein Verfahren zur energetisch günstigen Erzeugung von reaktiven Komponenten für die Speichermineralbildung aus Aschen und wasserhaltigen Substanzen in einem Reaktor (DE-PS 197 19 684 C1). Hierbei werden ein oder mehrere Aschen und wasserhaltige Substanzen mit ggf. Calciumoxid gemischt und bei einer Temperatur von 100 bis 600°C erhitzt. Das Verfahren verweist auf die Verwendung einer Vielzahl verschiedener Aschen und Schlämme. Entscheidender Nachteil dieser Lösung ist die aufwendige und teure Wärmebehandlung des Gemisches und die Kompliziertheit des Prozesses zur Herstellung eines Produktes mit halbwegs gleichbleibender Qualität und zur Beherrschung unzulässiger Treiberscheinungen. Eine dauerhafte Schadstoffimmobilisierung konnte auf diesem Wege nicht erreicht werden.Known is a process for the energetically favorable generation of reactive Components for the storage mineral formation from ashes and water-containing substances in a reactor (DE-PS 197 19 684 C1). Here are one or several ashes and hydrous substances with possibly calcium oxide mixed and heated at a temperature of 100 to 600 ° C. The method refers to the use of a variety of different Ashes and mud. Decisive disadvantage of this solution is the elaborate and expensive heat treatment of the mixture and the complexity of the process of manufacture a product with reasonably consistent quality and to Control of impermissible Propellant phenomena. A permanent pollutant immobilization could can not be reached in this way.

Weiterhin bekannt ist ein Verfahren zur Verbesserung der Transportfähigkeit, Verarbeitbarkeit und Einbaufähigkeit eines Schlammes durch Veränderung seiner Konsistenz bekannt, bei dem Schlamm ein Additiv hinzugefügt und dieses in dem Schlamm verteilt wird, wodurch die Verarbeitbarkeit beschreibende Proctorkurve des Gemisches aus Schlamm und Additiven im Vergleich zu der Proctorkurve des Schlammes in Richtung höherer Wassergehalte verschoben wird, wobei dem Schlamm als Additiv eine kalkhaltige Kraftwerksfilterasche mit einem Anteil zwischen 2 und 7 Gew.-% bezogen auf die Trockenmasse des Schlammes, hinzugefügt und das Additiv und der Schlamm in volumenkonstanten Anteilen unter Berücksichtigung der Veränderung der Schüttdichte der Kraftwerksfilteraschen bei Zutritt von Wasser zwangsgemischt und damit das Additiv im Schlamm homogen verteilt wird ( EP 0 934 906 B1 ). Das Verfahren beschränkt sich auf die Verarbeitbarkeit und den Transport von Gemischen aus Kraftwerksaschen und Schlämmen, wobei keine Aussage zur hydraulischen Abbindung des Gemisches und einer dauerhaften Immobilisierung von Schadstoffen gemacht wird.Also known is a process for improving the transportability, processability and incorporation of a slurry by altering its consistency, adding an additive to the sludge and spreading it in the sludge, thereby increasing the processability descriptive curve of the mixture of sludge and additives compared to that of US Pat Proctor curve of the sludge is shifted towards higher water contents, wherein the sludge added as an additive a lime-containing power plant filter ash in a proportion between 2 and 7 wt .-% based on the dry mass of the sludge, and the additive and the sludge in volume constant proportions taking into account the change The bulk density of the power plant filter ash is forcibly mixed in the presence of water and thus the additive in the sludge is homogeneously distributed ( EP 0 934 906 B1 ). The method is limited to the processability and transport of mixtures of power plant ashes and sludges, whereby no statement is made on the hydraulic setting of the mixture and a permanent immobilization of pollutants.

Darüber hinaus ist ein Verfahren zur Herstellung einer zu einem Bau- und/oder Dichtungsstoff hydratationsfähigen Masse unter Verwendung von Filterasche bekannt, bei dem die Filterasche unter Zugabe von Wasser verrührt und die Masse zu dem Bau- und/oder Dichtstoff weiterverarbeitet wird, wobei für Mischungen aus mindestens zwei Filteraschen und/oder Filteraschekomponenten, die unterschiedliche Körnungsbänder aufweisen, der jeweilige Wasseranspruch für die Herstellung von dem jeweiligen Mischungsverhältnis entsprechenden Dispersionen ermittelt wird und die Filteraschen und/oder Filteraschekomponenten in einem Mischungsverhältnis, das außerhalb des Maximums oder eines relativen Maximums des Kurvenverlaufs des A/W-Wertes im Bereich eines relativen Minimums des A/W-Wertes oder eines Bereiches mit relativ geringer A/W-Wert-Änderung liegt, gemischt und zu einer Dispersion verrührt werden (DE-PS 41 03 412 C2). Dieses Verfahren ist in seiner umständlichen Abfassung nicht nacharbeitbar und auch nicht ausführbar.Furthermore is a method of making a structural and / or sealant hydratationsfähigen Mass known using filter bag in which the filter ash stirred with the addition of water and further processed the mass to the building and / or sealant is, where for Mixtures of at least two filter ashes and / or filter ash components, which have different granulation bands, the respective water claim for the preparation of dispersions corresponding to the respective mixing ratio is determined and the filter ash and / or filter ash components in a mixing ratio, the outside of the maximum or a relative maximum of the curve of the A / W value in the range of a relative minimum of the A / W value or a range with relatively low A / W value change is, mixed and stirred to a dispersion (DE-PS 41 03 412 C2). This method is not reproducible in its complicated drafting and not executable.

Bekannt ist ein Verfahren zur Entsorgung von schadstoffbeladenen Materialien, Böden, oder Flüssigkeiten, wobei die Zugabe einer zumindest latent hydraulischen Asche unter Einstellung eines zur vollständigen Hydratation ausreichenden Wasser/Feststoff-Verhältnisses durchgeführt wird, um diese Stoffe besser entsorgen zu können ( DE-OS 36 34 650 A1 ). Angestrebt wird die Entsorgung unterschiedlichster Arten von Schadstoffen mit ein und demselben Verfahren. Mit diesem bekannten Verfahren werden die Schadstoffe jedoch nicht dauerhaft und vollständig in den abgebundenen Aschen eingebunden. Treib- und Quellerscheinungen der latent hydraulischen Aschen werden nicht vermieden.A method is known for the disposal of pollutant-laden materials, soils or liquids, wherein the addition of an at least latent hydraulic ash under adjustment of sufficient for complete hydration water / solid ratio is carried out in order to dispose of these substances better ( DE-OS 36 34 650 A1 ). The aim is the disposal of different types of pollutants with the same procedure. However, with this known method, the pollutants are not permanently and completely involved in the set ash. Drifting and swelling phenomena of latent hydraulic ash are not avoided.

Aus der DE-OS 196 12 513 A1 ist ein Bindemittel zum Immobilisieren von Schadstoffen in und/oder zum Verfestigen von Böden, bodenähnlichen Gemischen, Schlämmen, Produktions- und sonstigen Reststoffen bekannt, welches Hochofenmehl und Flugasche enthält. Die Flugasche kann dabei aus Steinkohlen- und/oder aus Braunkohlenkraftwerken oder aus Wirbelschichtfeuerungen stammen. Das Bindemittel soll dazu führen, dass die Schadstoffe eingebunden werden und aushärten. Auch hier sind ähnliche Nachteile vorhanden, die nicht beseitigt wurden. Die Erfahrungen im Umgang mit solchen Gemischen und Eluationsversuche zeigen, dass eine dauerhafte Immobilisierung der Schadstoffe nicht stattfindet.From the DE-OS 196 12 513 A1 a binder is known for immobilizing pollutants in and / or for solidifying soils, soil-like mixtures, sludges, production and other residues containing blast furnace flour and fly ash. The fly ash can come from hard coal and / or lignite power plants or from fluidized bed furnaces. The binder should cause the pollutants are incorporated and harden. Again, there are similar disadvantages that have not been resolved. The experience in dealing with such mixtures and elution experiments show that a permanent immobilization of pollutants does not take place.

Die DE-PS 196 10 075 C2 zeigt ein Verfahren zur Immobilisierung von Schadstoffen, säurehaltiger Abfallstoffen der Petrochemie wobei Abfallstoffe mit hydraulisch reagierender Flugasche oder einem Flugasche-Zement-Gemisch derart vermischt werden, dass der pH-Wert der Mischung > 7,5 eingestellt wird und während des Mischungsvorganges durch Temperatursteuerung eine Blasenbildung infolge vorhandenen oder sich bildenden Wassers unterbunden wird und das so entstehende Stabilisat eine walzfähige Konsistenz aufweist, wobei das Stabilisat sich im weiteren Verlauf unter innerem Quelldruck verdichtend erhärtet und so ein Immobilisat bildet. Der hier beschriebene Quelldruck hat in der Praxis jedoch den Erhärtungsprozess so nachhaltig negativ beeinflusst, dass die bereits beschriebenen Effekte auch hier wieder auftraten.DE-PS 196 10 075 C2 shows a method for the immobilization of pollutants, acidic waste products of petrochemicals where waste is mixed with hydraulically reacting fly ash or a fly ash-cement mixture such that the pH of the mixture> 7.5 is set and blistering due to existing or during the mixing process by temperature control Forming water is prevented and the resulting stabilizer has a rollable consistency, the stabilizer hardens in the course of compressing under internal swelling pressure and so forms an immobilizate. However, in practice, the swelling pressure described here has had such a lasting negative impact on the hardening process that the effects already described have again occurred here.

Aus DE 199 15 134 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Deponiekörpers zur Ablagerung von mechanisch oder mechanisch-biologisch aufbereitetem Abfall, Schlämmen aus kommunaler oder industrieller Abwasserreinigung oder mineralischen Reststoffen mit schädlichen oder organischen Verunreinigungen bekannt, wobei Abfallstoffe mit einer hydraulisch aktiven Braunkohlenfilterasche und einer Flüssigkeit so vermischt werden, dass nach Abklingen der chemischen Abbindereaktion ein Überschuss an hydraulisch aktiver Asche im Gemisch verbleibt, welcher sich im Verlauf von 5 bis 10 Monaten mit versickertem Niederschlagwasser zu einem neuen Mineral umsetzt und das gesamte versickerte Wasser dadurch dauerhaft eingebunden wird ( DE 199 15 134 A1 ). Unter hydraulisch aktiver Braunkohlenfilterasche sind nach DE 199 15 134 A1 kalkreiche BFA zu verstehen. Fälschlicherweise bezeichnet man die Reaktion des Kalkes mit dem Wasser nach [CaO + H2O ⇒ Ca(OH2)] – (Kalklöschreaktion und Bildung von Kalkhydrat) als hydraulische Reaktion und die Ettringitbildung nach [6Ca+ + 3SO4 2– + Al2O3 + 36H2O ⇒ Ca6Al2[(OH)4SO4]3 24H2O – (Kristallbildung aus übersättigter Lösungsphase) als puzzolanische Reaktion.Out DE 199 15 134 A1 is a method for producing a landfill body for the deposition of mechanically or mechanically-biologically treated waste, sludges from municipal or industrial wastewater treatment or mineral residues known with harmful or organic contaminants, where waste with a hydraulically active lignite filter ash and a liquid are mixed so that After the chemical setting reaction has subsided, an excess of hydraulically active ash remains in the mixture, which converts to a new mineral over the course of 5 to 10 months with infiltrated precipitation water and the entire percolated water is thereby permanently incorporated ( DE 199 15 134 A1 ). Under hydraulically active brown coal filter ash are after DE 199 15 134 A1 lime-rich BFA to understand. The reaction of lime with water is erroneously referred to as [CaO + H 2 O ⇒ Ca (OH 2 )] - (limescale reaction and formation of hydrated lime) as a hydraulic reaction and ettringite formation by [6Ca + + 3SO 4 2- + Al 2 O 3 + 36H 2 O ⇒ Ca 6 Al 2 [(OH) 4 SO 4 ] 3 24H 2 O - (crystal formation from supersaturated solution phase) as a pozzolanic reaction.

Wenn kalkreiche BFA mit Wasser reagiert, entsteht natürlich immer Kalkhydrat und verschwindend wenig Ettringit. Beide Phasen sollen gemäß der DE 199 15 134 A1 in der Anfangsreaktion nicht vollständig ablaufen, damit später eindringendes Wasser gebunden werden kann. Dies ist eine reine Wasserbindung und kann mit einer vollständigen Ettringitbildung als „puzzolanischer Reaktion" nicht verglichen werden.Of course, when calcareous BFA reacts with water, hydrated lime and vanishing ettringite are always produced. Both phases should be in accordance with the DE 199 15 134 A1 in the initial reaction does not drain completely, so that later penetrating water can be bound. This is a pure water binding and can not be compared to complete ettringite formation as a "pozzolanic reaction".

Ebenso verhält es sich mit der DE 44 17 012 C3 , die ein Verfahren zur Herstellung eines Materials mit hohem Wasserspeichervermögen beschreibt, bei dem organischer Klärschlamm mit einem Trockensubstanzgehalt zwischen 20 und 35 % entwässert und im Intensivmischer mit kalkreicher hydraulischer westelbischer Braunkohlenfilterasche in einer Menge von > 60 %, bezogen auf die Trockensubstanz des Gemisches, vermischt wird. Im 1. Anspruch wird korrigierend darauf hingewiesen, dass das Gemisch auch Ettringit enthält. Über die Menge darf spekuliert werden. Von einer optimierten und gesteuerten Ettringitbildung kann nicht gesprochen werden. Auf die Kalkhydratbildung wird nicht eingegangen. Sinn des Ganzen ist eine hohe Wasserbindung aus dem Klärschlamm, um ihn verdichtbar zu machen. Bestenfalls also eine Änderung der Konsistenz durch Wasserentzug (der Ettringit bindet 32 Moleküle Wasser) und keine Einbindung von Schadstoffen.It is the same with the DE 44 17 012 C3 , which describes a method for producing a material with high water storage capacity, in which dewatered organic sewage sludge having a dry matter content between 20 and 35% and mixed in intensive mixer with lime-rich hydraulic Westelbischer brown coal filter ash in an amount of> 60%, based on the dry matter of the mixture becomes. The first claim corrects that the mixture also contains ettringite. About the amount may be speculated. An optimized and controlled Ettringitbildung can not be spoken. The lime hydrate formation is not discussed. Sense of the whole is a high water binding from the sewage sludge, to make it compactable. At best, therefore, a change in the consistency by dehydration (the ettringite binds 32 molecules of water) and no involvement of pollutants.

Bei der DE 36 43 345 werden schadstoffbelastete Schlämme pelletiert und anschließend in kalkreicher Asche gewälzt (gepudert), wodurch eine Schutzschicht entstehen soll, die die Schadstoffe physikalisch einpackt. Dem Fachmann ist klar, dass eine erhärtete Ascheschicht im Mikrometerbereich keinen ausreichenden Schutz gegen eine spätere Auslaugung von nur physikalisch gebundenen Schadstoffen bietet. Der anfänglich auf der Oberfläche sich bildende Ettringit wandelt sich durch Sulfatmangel in Monosulfat um. Die weitere Entwicklung – Zerfall des nicht stabilisierten Monosulfats durch Karbonatisierung – wird aus gutem Grund nicht angegeben.In the DE 36 43 345 For example, polluted sludge is pelletized and subsequently rolled (powdered) in limestone ash, which is intended to form a protective layer that physically packs the pollutants. It is clear to the person skilled in the art that a hardened ash layer in the micrometer range does not provide sufficient protection against subsequent leaching of only physically bound pollutants. The ettringite, which initially forms on the surface, converts to sulfate by sulfate deficiency. The further development - disintegration of the non-stabilized monosulfate by carbonation - is not given for a good reason.

Die DE 43 37 789 C2 schildert ein Verfahren von im Wege der Müllverbrennung anfallenden Müllverbrennungsaschen für die Verwendung im Straßenbau, wobei die Müllverbrennungsasche zur Vermeidung von Monocarbonat unter Luftabschluss gelagert wird. Dieses Verfahren erscheint sehr problematisch bezüglich der Zeitdauer für eine Ettringitbildung unter Wasser oder Luftabschluss und der entsprechenden Anlagenbindung. Zusätze wie Kalk, Aluminat, Zement oder Aschen werden ohne Durchmischung nur dem Wassertrog zugegeben. Wie sich dadurch die für eine Ettringitbildung notwendigen optimalen Konzentrationen einstellen sollen, ist nicht nachvollziehbar. Ein weiteres Problem ist, dass der gebildete Ettringit natürlich auch nach der Behandlung unter Wasser oder Luftabschluss karbonatisieren wird, wenn er nicht durch einen Sulfatüberschuss ausreichend stabilisiert wird. Damit wird die gesamte Vorbehandlung in Frage gestellt und wirkungslos.The DE 43 37 789 C2 describes a method of incinerating refuse incineration ash for use in road construction wherein the refuse incineration ash is stored to exclude monocarbonate under exclusion of air. This process appears to be very problematic in terms of the duration of ettringite formation under water or air occlusion and the associated plant bonding. Additives such as lime, aluminate, cement or ash are added to the water trough without mixing. How this should set the necessary for an Ettringitbildung optimal concentrations is incomprehensible. Another problem is that, of course, the ettringite formed will also carbonate after treatment under water or in the absence of air if it is not sufficiently stabilized by an excess of sulfate. Thus, the entire pretreatment is called into question and ineffective.

In DE 198 27 540 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Abdeck- oder Profilierungsmaterials zur Abdeckung von Deponien oder Altlasten oder zur Herstellung von Monodeponien beschrieben, bei dem eine heizwertarme, aufbereitete und abgetrennte Fraktion aus Haus- und Gewerbeabfall mit hydraulisch reagierenden und zur Ettringitbildung befähigten Aschen sowie Wasser in einem bestimmten Mischungsverhältnis miteinander vermischt werden. Es wird eine hydraulisch reagierende und zur Ettringitbildung befähigte BFA aus kalorischen Kraftwerken des mitteldeutschen Raumes für die Mischung verwendet. Aus umfangreichen bekannten Versuchen ist bekannt, dass diese BFA in Abhängigkeit von der Bekohlung erheblichen Schwankungen bei der chemischen Zusammensetzung und damit der Reaktionsfähigkeit unterworfen sind. Da sich die Stöchimetrie der Lösungsphase aber ständig ändert und gemäß dem Verfahren nicht korrigiert werden kann, ist eine stabile Umsetzung gemäß den Ansprüchen nicht gewährleistet.In DE 198 27 540 A1 a method for producing a covering or profiling material for covering landfills or contaminated sites or for the production of mono-landfills is described in which a low-calorific, prepared and separated fraction of household and commercial waste with hydraulically-responsive and ettringite-capable ashes and water in a specific Mixing ratio are mixed together. It is a hydraulically reactive and capable of ettringite BFA from caloric power plants in central Germany used for the mixture. It is known from extensive known experiments that these BFA are subject to considerable fluctuations in the chemical composition and thus the reactivity, depending on the coaling. However, since the stoichiometry of the solution phase is constantly changing and can not be corrected according to the method, is a stable implementation according to the claims not guaranteed.

Letztlich ist aus DE-PS 196 07 081 C2 ein Verfahren zum Immobilisieren von einem oder mehreren Schadstoffen, mit dem oder mit denen ein Material (insbesondere Bauschutt oder Bodenmaterial) kontaminiert ist, bekannt, wobei das kontaminierte Material mit in Wasser kolloiddispers vorliegendem Aluminiumhydroxid und latent hydraulischem Bindemittel zu einem einen pH-Wert von 6 bis 13 aufweisenden Gemenge vermischt werden. Zum Einsatz kommen Elektrofilteraschen, denen hohe Mengen von Chlorid zugegeben werden. Als einzumischende Schadstoffe werden nahezu alle bekannten Stoffe benannt. Die Löslichkeit der Phasenbildner der Gemischbestandteile wird nicht untersucht. Die Zugabe des Aluminiumhydroxides in Mengen von 50 bis 500 Mol% vorzugsweise 200 Mol% der Summe der zuzugebenden Schadstoffe soll erreichen, dass insbesondere Kalziumaluminathydrate mit plättchenförmigen Habitus gebildet werden, die in der Lage sind, die Schadstoffe adsorptiv bzw. christallchemisch zu binden. Die zusätzliche Bildung von Kalziumaluminattrisulfathydraten vom Ettringittyp wird zwar billigend in Kauf genommen, Verfahrensschritte zur bevorzugten Bildung dieser Phasen werden jedoch nicht angegeben. Da der Nachweis einer kristallchemische Einbindung von Schwermetallen in Kalziumaluminathydratphasen bisher nicht gelungen ist, konnte eine praktische Umsetzung des Verfahrens für eine dauerhafte Immmobilisierung schwermetallhaltiger Schadstoffe auf der Grundlage der umweltrechtlichen Anforderungen nicht realisiert werden.Ultimately is from DE-PS 196 07 081 C2 discloses a method for immobilizing one or more pollutants with or with which a material (in particular building rubble or soil material) is contaminated, known the contaminated material being colloidally dispersed in water Aluminum hydroxide and latent hydraulic binder to a a pH of 6 to 13 having mixtures are mixed. Electrofilter ash, which contains high amounts of chloride, is used be added. As einzumischende pollutants are almost all named known substances. The solubility the phase former of the mixture components is not investigated. The addition of aluminum hydroxide in amounts of 50 to 500 mol% preferably 200 mol% of the sum of the pollutants to be added achieve that in particular calcium aluminate hydrates with platelet-shaped habit be formed, which are able to adsorptive the pollutants or to bind chemically. The additional formation of calcium aluminate trisulfate hydrates Of the Ettringittyp is admittedly acceptable, procedural steps however, the preferred formation of these phases is not indicated. As the proof of a crystal chemical integration of heavy metals in calcium aluminate hydrate phases so far failed a practical implementation of the procedure for permanent immobilization heavy metal contaminants based on environmental legislation Requirements can not be realized.

Eine dauerhafte Einbindung von Schadstoffen ist nur dann gegeben, wenn 3 Mechanismen zusammenwirken:

  • 1. Einbindung von Schadstoffe aufbauende Kationen oder Anionen in die Kristallstruktur von sogenannten Speichermineralen.
  • 2. Einbindung der Schadstoffe in den Gelporenraum einer Feststoffmatrix. Hierzu müssen die Schadstoffe nicht zwingend gelöst werden, es muss sich jedoch eine Matrix entwickeln, deren Poren nicht eluierbar sind.
  • 3. Dauerhafte Stabilisierung einer Feststoffmatrix durch Dichtigkeitserhöhung, um die spezifische Oberfläche und damit die Durchströmbarkeit (Permeabilität) zu verringern.
A permanent inclusion of pollutants is only given if 3 mechanisms work together:
  • 1. Incorporation of harmful substances cations or anions in the crystal structure of so-called storage minerals.
  • 2. Integration of the pollutants into the gel pore space of a solid matrix. For this purpose, the pollutants do not necessarily have to be solved, but it must develop a matrix whose pores are not elutable.
  • 3. Permanent stabilization of a solid matrix by increasing the density in order to reduce the specific surface area and thus the flowability (permeability).

Bei der Vielzahl der einzubindenden Materialien und in den weiten pH-Wert-Bereichen der DE 196 07 081 C2 liegt der Schwerpunkt des Mechanismus dieses Schutzrechtes auf einer physikalischen Stabilisierung (Punkt 2 und 3). Es ist bekannt, dass Al-Hydroxid in einem pH-Werte-Bereich zwischen 5 und 10 nahezu unlöslich ist (siehe HENNING, KNÖFEL – Chemie im Bauwesen) und eine Bildung von entsprechenden Aluminaten nur in sehr, sehr geringen Mengen stattfinden kann. Da die Löslichkeit ein thermodynamischer Begriff ist und nicht von der Korngröße des Materials abhängt – hiervon hängt die Reaktionsgeschwindigkeit respektive Auflösungsgeschwindigkeit ab – spielt es keine Rolle, ob das Al-Hydroxid Teilchengrößen im Mikro- oder Nanometerbereich hat. Demnach ist Mechanismus 1 – wenn dieser überhaupt hier stattfindet – von untergeordneter Bedeutung, zumal bei der Konkretisierung ein pH-Werte-Bereich zwischen 5 und 9 angegeben wird.In the large number of materials to be incorporated and in the wide pH ranges of the DE 196 07 081 C2 The emphasis of the mechanism of this intellectual property right is on a physical stabilization (point 2 and 3). It is known that Al hydroxide in a pH range between 5 and 10 is almost insoluble (see HENNING, KNÖFEL - chemistry in construction) and formation of corresponding aluminates can take place only in very, very small amounts. Since the solubility is a thermodynamic term and does not depend on the particle size of the material - depending on the reaction rate or rate of dissolution - it does not matter if the Al hydroxide has particle sizes in the micrometer or nanometer range. Accordingly, mechanism 1 - if it takes place here at all - is of subordinate importance, especially as the concretization specifies a pH range between 5 and 9.

Die gesteuerte Ettringitbildung wird bei Zement und Flugasche beschrieben und als untauglich dargestellt. Dies ist verständlich, da verfahrensgemäß einfach Zemente und Flugaschen hydratisieren und keine spezifischen Mischungen aus verschiedenen Komponenten – darunter der Schadstoffkomponente – unter Beachtung der stofflichen Besonderheiten stattfindet.The Controlled ettringite formation is described for cement and fly ash and shown as unfit. This is understandable, as procedurally simple Cements and flyashes hydrate and no specific mixtures from different components - including the pollutant component - under Attention to the material characteristics takes place.

Letztendlich wird im o. a. Patent Zement oder Kalk als Bindemittelkomponente hinzu gegeben, um in einem weiteren Schritt einen Formkörper mit bestimmten Festigkeiten und Dauerbeständigkeiten herzustellen. Damit wird ein mehrstufiger Prozess durchgeführt, der langwierig und umständlich ist.At long last is in o. a. Patent cement or lime as a binder component added to in a further step a molding with certain strength and durability. In order to A multi-stage process is carried out that is tedious and cumbersome.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auf der Grundlage von geeigneten Filteraschen einen Deponiebinder zu entwickeln der in der Lage ist, schwermetallhaltige Abfälle elutionssicher in eine hydratisierte Bindebaustoffmatrix eines Multibarrierenmodells dauerhaft und sicher einzubinden.Of the Invention is based on the object, based on suitable Filter ashes to develop a dumpster capable of heavy metal waste elution-proof into a hydrated binding building block matrix of a multibarrier model permanently and safely involved.

Dies wurde erfindungsgemäß durch den Inhalt der Patentansprüche 1 bis 5 gelöst, wobei

  • a) die jeweiligen Löslichkeiten bzw. Konzentrationen ci [g/l] der Phasenbildner CaO(cCaO), Al2O3 (cAl2O3) und SO4 (cSO4) für eine Ettringitbildung nach der Formel 3CaO + Al2O3 + 3CaSO4 + 32 H2O ⇒ Ettringit (C3A·3Cs·32H) an allen Ausgangsstoffen in wässriger Lösung im pH-Wertebereich von 11 bis 13 ermittelt
  • b) die Ergebnisse zur Berechnung der Stoffanteile im Hinblick auf eine bevorzugte Ettringitbildung so verwendet werden, das im Gemisch die Teilkonzentrationen ci [g/l] in folgendem Verhältnis stehen cCaO : cAl2O3 : cSO4 = 1 : 0,25–0,35 : 0,65–0,75
  • c) die ermittelten Anteile zu einem Gemisch mit einem Wasseranteil von 20 bis 40 M.-gemischt sowie als Schicht in einer Dicke von 150 bis 300 mm auf die vorhandene Deponieoberfläche aufgebracht, verdichtet und als eine sich selbst verfestigende Schicht mit hohen Anteilen eines feinkristallinen, siliciumhaltigen Ettringits ausgebildet wird.
This has been inventively achieved by the content of claims 1 to 5, wherein
  • a) the respective solubilities or concentrations c i [g / l] of the phase former CaO (CaO c), Al 2 O 3 (c Al2O3) and SO 4 (c SO4) for a ettringite formation according to the formula 3CaO + Al 2 O 3 + 3CaSO 4 + 32H 2 O ⇒ Ettringite (C 3 A · 3Cs · 32H) determined on all starting materials in aqueous solution in the pH range from 11 to 13
  • b) the results for the calculation of the proportions of substances with regard to a preferred ettringite formation so ver be used, which are in the mixture, the partial concentrations c i [g / l] in the following ratio c CaO: Al2O3 c: c SO4 = 1: 0.25-0.35: 0.65-0.75
  • c) the determined proportions are mixed to a mixture with a water content of 20 to 40 M. and applied as a layer in a thickness of 150 to 300 mm on the existing landfill surface, compacted and as a self-consolidating layer with high levels of finely crystalline, silicon-containing ettringite is formed.

Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass die Bildung von Ettringit als einem Speichermineral zielgerichtet durch Mischungen verschiedener Ausgangsstoffe, darunter dem zu immobilisierenden Material, gesteuert werden kann, wenn die Randbedingungen nach Anspruch 1 beachtet werden. Dies geschieht in einem einstufigem Verfahren.According to the invention was found that the formation of ettringite as a storage mineral targeted by mixtures of different starting materials, including the material to be immobilized, can be controlled when the Boundary conditions according to claim 1 are observed. this happens in a one-step process.

Als neuer Wirkungsmechanismus wurde gefunden, dass eine dauerhafte Schadstoffeinbindung nicht auf dem Ausfällen von Schwermetallhydroxiden im alkalischen Milieu beruht, sondern auf der Bildung von Speichermineralen vom Typ siliciumhaltiger Ettringit, möglicherweise auch von Zeolith. Für ersteren ist Sulfat notwendig, wobei das Sulfat keine Plätze im Ettringit besetzt, die von Schwermetallkationen eingenommen werden können. Hier spielt das Calcium, aber auch das Aluminium eine entscheidende Rolle. Es konnte erstmals nachgewiesen werden, dass erfindungsgemäß neben dem Aluminium auch Silicium als Austausch in das Ettringitgitter eingebaut werden kann. Dieser Gedanke ist zusätzlich dadurch von Bedeutung, da die Schwermetallionen 2-, 3- oder höherwertig sein können. Entsprechende Platzvariationen in der Ettringit- bzw. Speichermineralstruktur sind demnach vorhanden. Eine Einbindung von Schwermetallkationen in Kanäle im Ettringit ist bislang unbekannt.When new mechanism of action has been found to be a permanent contaminant not on the failures of heavy metal hydroxides in the alkaline environment, but on the formation of storage minerals of the type silicon-containing ettringite, possibly also of zeolite. For the former requires sulphate, with no sulphate in ettringite occupied, which can be occupied by heavy metal cations. Here plays the calcium, but also the aluminum a crucial role. It could be demonstrated for the first time that according to the invention The aluminum also silicon as exchange in the Ettringitgitter can be installed. This idea is also important because since the heavy metal ions can be 2-, 3- or higher. Appropriate Space variations in the ettringit or storage mineral structure are therefore present. An integration of heavy metal cations in channels in Ettringit is unknown.

Es wurde weiterhin gefunden, dass eine kristallchemische Einbindung ausschließlich über die Lösungsphase funktionieren kann. Genau diesem Punkt wird in der erfindungsgemäßen Lösung durch den Bezugspunkt zur gelösten Menge an Aluminium, Sulfat und CaO (Kalk) Rechnung getragen.It was further found to be a crystal chemical incorporation exclusively via the solution phase can work. Exactly this point is in the inventive solution the reference point to the solved Amount of aluminum, sulphate and CaO (lime) accounted for.

Ettringit kann karbonatiseren, sich in Monosulfat bei Sulfatmangel umwandeln oder sich auflösen. Erfindungsgemäß entscheidend ist ein entsprechendes Angebot an Sulfat. Auf diesen Punkt zielt die erfindungsgemäße Lösung ab, der Ettringit soll stabilisert werden, in dem die verfügbare Sulfatmenge über der für eine stöchiometrische Ettringitbildung notwendigen Menge liegt. Da in erfindungsgemäßen Proben nach über einem Jahr der Ettringit keine Anzeichen von Zerfall durch Karbonatisierung zeigte, ist davon auszugehen dass durch den Einbau von Silicium an Stelle des Aluminiums das Ettringitgitter in besonderer Weise stabilisiert wird. Die gleiche Wirkung haben offenbar auch die eingebauten Schwermetalle Chrom, Cadmium und Zink.Ettringit can carbonate, convert to monosulfate in sulfate deficiency or dissolve. Crucial according to the invention is a corresponding supply of sulphate. Aims at this point the solution according to the invention, the ettringite is to be stabilized, in which the available sulphate quantity exceeds the for a stoichiometric Ettringitbildung necessary quantity lies. As in inventive samples after over a year of ettringite no signs of decay by carbonation showed, it can be assumed that by the incorporation of silicon in place of aluminum the ettringite lattice in a special way is stabilized. The same effect apparently have the built-in Heavy metals chromium, cadmium and zinc.

In der erfindungsgemäßen Lösung wird gesteuert Ettringit gebildet und durch einen Sulfatüberschuss stabilisiert. Zusätzlich bildet die gleiche Matrix, in der das Ettringit entstanden ist, ein sehr dichtes Gefüge, um die Umwelteinflüsse zu minimieren.In the solution according to the invention is controlled ettringite formed and stabilized by a sulfate surplus. additionally forms the same matrix in which the ettringite originated, a very dense structure, around the environmental influences to minimize.

Der erfindungsgemäße Deponiebinder wird dabei vollständig aus Aschen und/oder Reststoffen und/oder Abprodukten hergestellt und kommt ohne Zementzugaben aus. Er setzt sich vorrangig aus einem Gemisch von Wasser, kalkreicher Asche(n) (bevorzugt aus Kraftwerken mit einer Entschwefelung nach dem Kalkstein-Additiv-Verfahren), aluminatreicher Asche und/oder einem Aluminatträger aus anderen Abprodukten sowie sulfatischen Anteilen (bevorzugt aus Kohlekraftwerks- bzw. Müllverbrennungsaschen) zusammen. Diese Anteile werden gemäß Anspruch 1 vermischt, wobei sich in überraschender Weise eine sehr feinkristalline, siliciumhaltige sowie eine hohe Mikroporenverteilung aufweisende Ettringitphase als Speichermineral herausbildet. Dabei werden die Schwermetalle vorwiegend kristallchemisch in das Ettringitgitter eingebaut, wodurch eine dauerhafte Immobilisierung erreicht wird.Of the Landfillers according to the invention will be complete made of ashes and / or residues and / or waste products and works without cement additions. He is primarily made of a mixture of water, calcareous ash (s) (preferably from power plants with Desulfurization by the limestone additive process), more aluminate Ash and / or an aluminate carrier from other waste products and sulphate portions (preferably from Coal power plant or refuse incineration ash) together. These proportions are mixed according to claim 1, wherein in a surprise A very fine crystalline, silicon-containing and a high Microporous distribution Ettringitphase as storage mineral out forms. The heavy metals are predominantly crystal chemical built into the Ettringitgitter, creating a permanent immobilization is reached.

Als besonderer erfinderischer Effekt hat sich herausgestellt, dass nach dem Einbau einer Schicht auf der Deponie, das mit diesem Binder hergestellten Immobilisat in der Lage ist, Schadstoffeinträge aus überdeckendem Deponiematerial aufzunehmen und kristallchemisch an Neubildungen des Ettringits bzw. adsorptiv an bestehenden Phasen zu binden.When special inventive effect has been found that after the installation of a layer on the landfill with this binder immobilisate produced is able to cover pollutant inputs from Contain landfill material and crystal chemical to neoplasms of ettringite or adsorption to bind existing phases.

Ein weiterer Vorteil dieses Deponiebaustoffes ist, dass sondermüllhaltige Abfälle durch die erfindungsgemäße Mischung in den Deponiebaustoff so sicher chemisch in das Kristallgitter eingebunden werden, dass dieses Gemisch auf einer Deponie der Klasse II verbracht werden kann.One Another advantage of this landfill construction material is that special waste scraps by the mixture according to the invention in the landfill building so sure chemically in the crystal lattice be involved in this mixture in a landfill of the class II can be spent.

Folgendes wird weiterhin erfindungsgemäß realisiert:

  • I. Einlagerung von Schadstoffbestandteilen (Ionen, Moleküle, Molekülgruppen) in die Kristallstruktur der sich bei der Hydratation bildenden Hydratphasen vom Ettringittyp, wobei zwischen einem diadochen Ersatz von Kristallbausteinen und der Fixierung auf Zwischengitterplätzen unterschieden werden muss.
  • II. Sorption von Schadstoffen an der sehr großen Oberfläche des sich ausbildenden Gelporenraumes der feinkristallinen AFt-Phasen. Bei Porengrößen < 10 nm wirkt das Porenwasser auf Grund der Adhäsionskräfte wie ein Dichtungsmittel und ist demzufolge nicht auslaugbar.
  • III. Fixierung von in Wasser unlöslichen Schadstoffen im Kapillarporenraum der Feststoffmatrix durch Ausbildung einer dichten Gefügestruktur, wobei die Schadstoffe sowohl durch den hohen pH-Wert der Porenlösung als auch durch die hohe Gefügedichtigkeit (geringer Durchlässigkeitsbeiwert k) dauerhaft immobilisiert werden.
The following is also realized according to the invention:
  • I. incorporation of pollutant constituents (ions, molecules, molecular groups) into the crystal structure of the hydrate-forming hydrate phases of the ettringite type, it being necessary to distinguish between a diadochic replacement of crystal building blocks and the fixation on interstitial sites.
  • II. Sorption of pollutants on the very large surface of the developing gel pore space of the fine crystalline AFt phases. For pore sizes <10 nm, the pore water acts as a sealant due to the adhesion forces and is therefore not leachable.
  • III. Fixation of water-insoluble pollutants in the capillary pore space of the solid matrix by forming a dense microstructure, the pollutants are permanently immobilized both by the high pH of the pore solution and by the high structural density (low permeability coefficient k).

Im Hinblick auf die Langzeitstabilität des Binders kommt den Mechanismen I. und II. eine besondere Rolle zu, da auch bei einer mechanischen Aufbereitung des Baustoffes die gebundenen Schwermetalle nicht ausgelaugt und damit erneut bioverfügbar werden können.in the Regarding the long-term stability of the binder comes the mechanisms I. and II. A special role, as in a mechanical Preparation of the building material, the bound heavy metals not leached and thus bioavailable again can be.

Im Hinblick auf einen Deponiebaustoff stellt der Mechanismus III. eine zusätzliche und nicht wie bei einer reinen Verfestigung die Hauptbarriere gegen eine Schadstoffauslaugung dar.in the With regard to a landfill construction, the mechanism III. a additional and not, as in a pure solidification, the main barrier against a pollutant leaching.

Aus Vorversuchen sowie den entwickelten Modellvorstellungen ging hervor, dass sich die Untersuchungen auf die Herstellung eines Binders konzentrieren müssen, bei dem als Hydratphase vorwiegend Ettringit sowohl im Hinblick auf die chemisch/adsorptive Bindung von Schadstoffen als auch bezüglich der Gebrauchseigenschaften als Deponiebaustoff wie Druckfestigkeit, Dichtigkeit und Raumbeständigkeit gebildet wird.Out Preliminary tests as well as the developed model conceptions showed, that the investigations concentrate on the production of a binder have to, in the hydrate phase as ettringite predominantly with regard to on the chemical / adsorptive binding of pollutants as well as regarding the Performance characteristics as landfill construction like pressure resistance, Tightness and room stability is formed.

Für das Erreichen dieser Zielstellung waren zunächst die für eine Ettringitbildung geeigneten Aschen mit den entsprechenden Phasenbildnern – Calciumoxid, Aluminiumoxid und Sulfat – umfassend chemisch-mineralogisch zu charakterisieren. Um die Stöchiometrie der Lösungsphase für die Ettringitbildung einstellen zu können, wurde nach umfangreichen Versuchen gefunden, dass man die Löslichkeit der Phasenbildner im pH-Wertebereich 11 bis 13 aus den Einsatzstoffen ermitteln muss, um optimale Ausbeuten dieser für die Gefügeeigenschaften eines Deponiebaustoffes wichtigen Phase sicherzustellen.For reaching This objective was initially the for an ettringite formation of suitable ashes with the appropriate phase formers - calcium oxide, Alumina and sulphate - comprising to characterize chemical-mineralogical. To the stoichiometry the solution phase for the To be able to stop ettringit formation, was found after extensive experiments that one solubility the phase former in the pH range 11 to 13 from the starting materials to determine optimal yields of these for the structural properties of a landfill construction material important phase.

Ausführungsbeispieleembodiments

Anhand von Ausführungsbeispielen soll nachfolgend die Erfindung näher erläutert werden.Based of exemplary embodiments the invention will be described in more detail below explained become.

Nach einer Vorauswahl wurden jeweils 2 verfügbare Braunkohlen (BFA)- bzw. Steinkohlenfilteraschen (SFA) hinsichtlich der zu erwartenden Löslichkeit der Phasenbildner untersucht.To In each case, 2 available lignite (BFA) - or Coal filter ash (SFA) in terms of expected solubility the phase former examined.

Die Ergebnisse werden nachfolgend dargestellt:
In ihrer chemischen Zusammensetzung (Tab. 1) unterscheiden sich die Filteraschen sowohl hinsichtlich des eingesetzten Brennstoffes – Braun- oder Steinkohle – als auch in Bezug auf das eingesetzte Entschwefelungsverfahren – Kalksteinzugabe in den Brennstaub bzw. Kalkwäsche der Rauchgase.
The results are shown below:
In their chemical composition (Table 1), the filter ashes differ both in terms of the fuel used - brown or hard coal - as well as in relation to the desulfurization used - limestone addition in the fuel dust or Kalkwäsche the flue gases.

Die Aschen 1 sowie 3 und 4 können einem silikat- und aluminatreichen, die Asche 2 einem kalkreichen Aschetyp im Hinblick auf die Bekohlung zugeordnet werden. Die zum Teil hohen Kalk- und Freikalkgehalte der Aschen 1 und 3 sind nicht kohlebedingt, sondern resultieren aus dem Kalksteinadditivverfahren zur Rauchgasentschwefelung.The Ashes 1 as well as 3 and 4 can a silicate and aluminate-rich, the ash 2 a calcareous ash type be assigned with regard to the coaling. The partly high Lime and free lime content Ashes 1 and 3 are not coal-related, but result from the limestone additive process for flue gas desulphurisation.

Tab. 1: Chemische Zusammensetzung der Aschen (Angaben in Ma.-%)

Figure 00090001
Tab. 1: Chemical composition of the ashes (data in% by mass)
Figure 00090001

Zur Bestimmung der in Wasser löslichen Anteile von Al2O3, SiO2 sowie des pH-Wertes wurden Mischungen mit 1 g Asche und 100 ml destilliertes Wasser hergestellt. Nach dem Anmachen stellen sich in der Lösungsphase bereits nach 1 bis 2 min pH-Werte von > 12,5 ein. Die Löslichkeit von Al2O3 bzw. SiO2 ist unterschiedlich ausgeprägt und korrespondiert nicht unmittelbar mit der chemischen Zusammensetzung (Tab. 2).To determine the water-soluble fractions of Al 2 O 3 , SiO 2 and the pH, mixtures were prepared with 1 g of ash and 100 ml of distilled water. After mixing, pH values of> 12.5 are already established in the solution phase after 1 to 2 min. The solubility of Al 2 O 3 or SiO 2 is different and does not correspond directly to the chemical composition (Table 2).

Tab. 2: Löslichkeit von SiO2 und Al2O3 in wässriger Lösung

Figure 00100001
Tab. 2: Solubility of SiO 2 and Al 2 O 3 in aqueous solution
Figure 00100001

Im Hinblick auf die Möglichkeiten einer Ettringitbildung aus der Lösungsphase erfolgte eine strukturchemischen Charakterisierung des gelösten Aluminiums mittels 27 Al-NMR-Spektroskopie. In die entsprechenden Diagramme ist zum Vergleich das Spektrum einer Aluminat-Probe aufgetragen (127 Al-NMR-Spektroskopie der Lösungsphase). Die x-Achse gibt die chemische Verschiebung, die Informationen zur Koordination der um das Aluminium angeordneten Liganden enthält, an. Die y-Achse kann als relative Intensitäten, somit als Gehalte der einzelnen Koordinationspolyeder interpretiert werden.With regard to the possibilities of ettringite formation from the solution phase, a structural chemical characterization of the dissolved aluminum was carried out by means of 27 Al NMR spectroscopy. In the corresponding diagrams, the spectrum of an aluminate sample is plotted for comparison ( 1 - 27 Al NMR spectroscopy of the solution phase). The x-axis indicates the chemical shift that contains information on the coordination of the ligands around the aluminum. The y-axis can be interpreted as relative intensities, thus as contents of the individual coordination polyhedra.

Wichtig für die Bildungsbedingungen des Ettringits ist, dass in den alkalischen Aschelösungen kein freies Aluminat, weder in 6-er Koordination, noch in 4-er-Koordination umgeben von Sauerstoff bzw. OH-Ionen vorliegt. Deutlich wird diese Aussage im Vergleich mit der Al-Probe. Der scharfe Peak bei dieser Probe stellt Aluminium, koordiniert mit 4 OH--Ionen, dar. Solche reinen Aluminatstrukturen (Al(OH)4- -Tetraeder) werden in den alkalischen Lösungen der Aschen nicht gebildet. Statt dessen zeigen die relativ breiten Peaks an, dass sich die AlO4-Tetraeder anstelle von Wasserstoff mit Silicium koordinieren. Es bilden sich in den Lösungen Al-O-Si-Bindungen heraus, wobei die Anzahl von Siliciumionen zwischen 1 und 2 schwanken kann. Somit liegen in der alkalischen Aschelösung erfindungsgemäße Lösungsverhältnisse vor, die einen erstmalig dauerhaften Einbau von Silicium in das Ettringitgitter ermöglichen.It is important for the formation conditions of the ettringite that the alkaline ash solutions do not contain any free aluminate, either in 6-coordination or in 4-coordination with oxygen or OH ions. This statement is clear in comparison with the Al sample. The sharp peak in this sample represents aluminum coordinated with 4 OH - ions. Such pure aluminate structures (Al (OH) 4 - tetrahedra) are not formed in the alkaline solutions of the ashes. Instead, the relatively broad peaks indicate that the AlO 4 tetrahedra coordinate with silicon instead of hydrogen. Al-O-Si bonds are formed in the solutions, and the number of silicon ions can vary between 1 and 2. Thus, in the alkaline ash solution according to the invention before solution conditions that allow a first time permanent incorporation of silicon in the Ettringitgitter.

Zur Ermittlung des quantitativen Mineralbestandes der Aschen kommt die Äquivalentnormmethode zur Anwendung, mit der aus der chemischen Analyse und der qualitativen Mineralanalyse eine tatsächliche Mineralzusammensetzung berechnet wird. Bei den untersuchten Aschen war von folgendem Mineralbestand auszugehen:

  • – Verbindungen des Calciums -Calciumsulfat (Anhydrit), Calciumaluminataluminatferrit (Brownmillerit), Calciumsilicatlalumosilicat (Gehlenit), Calciumoxid, Calciumaluminatsulfat (Yeelimit), teilweise Calciumcarbonat (Calcit)
  • – Verbindungen des Eisen und Magnesiums – Eisenoxide, Magnesiumoxide/-ferrit
  • – Quarz
  • – Glasphase – Aktivglas (Kalksilikatglas mit aluminatischen Anteilen – Melilithglas) Inertglas (aufgeschmolzene Tonminerale kaolinitischer Zusammensetzung)
To determine the quantitative mineral content of the ashes, the equivalent standard method is used to calculate an actual mineral composition from chemical analysis and qualitative mineral analysis. The investigated ashes were of the following mineral population go:
  • Compounds of calcium-calcium sulphate (anhydrite), calcium aluminate aluminate ferrite (brownmillerite), calcium silicate-lalumosilicate (gehlenite), calcium oxide, calcium aluminate sulphate (yeelimite), partly calcium carbonate (calcite)
  • - Iron and magnesium compounds - Iron oxides, magnesium oxides / ferrite
  • - Quartz
  • - Glass phase - Active glass (silicate glass with aluminate content - melilite glass) Inert glass (molten clay minerals of kaolinitic composition)

Da eine eindeutige vollständige Charakterisierung aller Bestandteile von Aschen schwierig ist, wurde für die Zielstellung nach einer Optimierung der Ettringitausbeute erfindungsgemäß nachfolgende Herangehensweise gewählt:

  • 1. Ermittlung des Sulfatgehaltes und Abstimmung mit der röntgenographisch ermittelten Anhydritmenge in den untersuchten Aschen
  • 2. Bestimmung des Gesamt-CaO-Gehaltes und Zuordnung des Kalkes zu den entsprechenden kalkhaltigen Aluminaten, Silicaten und eventuell Aluminatsulfaten
  • 3. Röntgenographische Bestimmung des Freikalkes und Vergleich dieses Wertes mit dem im Ergebnis der Zuordnung des Kalkes nach Punkt 2 übrigbleibenden "Rest- CaO-Gehaltes"
  • 4. Zuordnung eines dann noch verbleibenden Restes an freiem CaO zu Aluminat und Silicat zur Ermittlung des Aktivglasanteils unter Berücksichtigung der Reaktivität (Anteil der Korngruppe < 0,035 mm)
  • 5. Berechnung des aluminatisch-silicatischer Inertglasanteils aus einer Differenzbildung zwischen den Gesamtaluminat- bzw. -silicatanteilen und den bisher zugeordneten Aluminat- und Silicatanteilen zum Kalk
Since a clear complete characterization of all constituents of ashes is difficult, the following approach was chosen according to the invention for the purpose of optimizing the ettringite yield:
  • 1. Determination of the sulphate content and coordination with the X-ray-determined anhydrite amount in the investigated ashes
  • 2. Determination of the total CaO content and assignment of the lime to the corresponding calcareous aluminates, silicates and possibly aluminate sulfates
  • 3. X-ray determination of the free lime and comparison of this value with the "residual CaO content" remaining as a result of the assignment of the lime to point 2
  • 4. Assignment of a remaining amount of free CaO to aluminate and silicate for determining the proportion of active glass, taking into account the reactivity (proportion of the grain group <0.035 mm)
  • 5. Calculation of the aluminosilicate inert glass portion from a difference between the total aluminate or -silicatanteilen and the previously assigned aluminate and silicate to lime

Im Ergebnis dieser Beschreibung kann für die untersuchten Aschen eine Bilanz im Hinblick auf die Ettringitbildung aufgestellt werden. Dabei wird die ermittelte Menge an Aluminat der jeweiligen Asche als Basis genommen und darauf die vorhandenen/benötigten Mengen an Sulfat und Kalk bezogen (Tab. 3).in the Result of this description can be for the investigated ashes Balance sheet with regard to ettringit formation. In this case, the determined amount of aluminate of the respective ashes taken as a basis and then the existing / required quantities based on sulfate and lime (Table 3).

Tab. 3: Ettringitbilanz der untersuchten Aschen

Figure 00120001
Tab. 3: Ettringit balance of the investigated ashes
Figure 00120001

Legende:Legend:

glgl
– glasige Struktur- glassy structure
krkr
– kristalline Struktur- crystalline structure

Die Aschen 1 und 2 sind aus chemisch-mineralogischer und aus granulometrischer Sicht (Anteil < 0,035 mm) als Ettringitbildner geeignet. Darüber hinaus sind jedoch Mischungen zwischen den Aschen sinnvoll und notwendig, wodurch die Ettringitbilanz von sich aus oder durch geeignete Zugaben an Sulfat (Halbhydrat) und Aluminat (amorphes Aluminiumhydroxid) ausgeglichen werden.The Ash 1 and 2 are of chemical-mineralogical and granulometric View (share <0.035 mm) as Ettringitbildner suitable. In addition, however, mixtures are between the ashes sensible and necessary, thereby reducing the ettringit balance by itself or by suitable additions of sulphate (hemihydrate) and Aluminate (amorphous aluminum hydroxide) are compensated.

Auf dieser Grundlage wurden verschiedene Mischungen mit einem Wasser/Binder-Wert von 0,5 hergestellt und nach 14 d die Hydratationsprodukte röntgenographisch und unter dem Rasterelektronenmikroskop auf den Phasenbestand und die Struktur untersucht.On this basis were various mixtures with a water / binder value of 0.5 and after 14 d the hydration products by X-ray and under the scanning electron microscope on the live state and studied the structure.

Exemplarisch werden nachfolgend die Ergebnisse der Binderserie 5 vorgestellt, die als Grundlage für weiterführende erfindungsgemäße Untersuchungen zur Schwermetalleinbindung diente.By way of example, the results of binder series 5 are presented below, which serve as the basis for Further investigations according to the invention for heavy metal incorporation served.

Tab. 4: Zusammensetzung der Binderserie 5 (Anteile in Ma.-%)

Figure 00120002
Tab. 4: Composition of binder series 5 (proportions in% by mass)
Figure 00120002

Der mineralische Phasenbestand der hydratisierten Proben mit zunehmendem Sulfatgehalt zeigt die 2 – Ettringitbildung in Abhängigkeit von der Sulfatzugabe.The mineral phase balance of the hydrated samples with increasing sulfate content shows the 2 Ettringit formation depending on the addition of sulphate.

Die Ettringitmenge durchläuft in Abhängigkeit von der zugegebenen Sulfatmenge einen Maximalwert von 28 Ma.-%, der sich bei ca. 3 Ma.-% Sulfat einstellt. In einem Zugabebereich des Sulfats bis zu 7,5 Ma.-% bleibt die gebildete Gipsmenge mit 5 bis 7 Ma.-% relativ gering. Anhydrit und Restkalk werden weitgehend verbraucht.The Ettringitmenge goes through dependent on from the added amount of sulfate a maximum value of 28% by mass, which sets at about 3 wt .-% sulfate. In an addition area of sulphate up to 7.5% by weight, the amount of gypsum formed remains with it 5 to 7% by weight relatively low. Anhydrite and limestone become extensive consumed.

Als Wasserzugabe ist ein Menge von 20 bis 40 M.-% notwendig.When Water addition is necessary in an amount of 20 to 40 M .-%.

Die röntgenographisch ermittelten Ergebnisse werden durch rasterelektronische Untersuchungen bestätigt. Die in 3 (REM-Aufnahme feinkristalliner Ettringitstrukturen auf der Oberfläche der Aschepartikel) sichtbaren erfindungsgemäßen Strukturen lassen sich wie folgt beschreiben:

  • – Bildung fasriger, feinkristalliner Ettringitstrukturen auf den Aschepartikeln
  • – Neben Ettringit wird Gips in größer ausgebildeten Kristallen vorgefunden
  • – Andere Mineralaggregate können nicht eindeutig identifiziert werden
The radiographic results are confirmed by scanning electronic investigations. In the 3 (SEM image of fine crystalline ettringite structures on the surface of the ash particles) visible structures of the invention can be described as follows:
  • - Formation of fibrous, fine-crystalline ettringite structures on the ash particles
  • In addition to ettringite, gypsum is found in larger crystals
  • - Other mineral aggregates can not be clearly identified

Bei durchgeführten EDX-Analysen an den Ettringitkristallen wurden neben der typischen Zusammensetzung S, Al, Ca, O in überraschender Weise auch beträchtliche Anteile an Silicium gefunden.at conducted EDX analyzes on the ettringite crystals were next to the typical Composition S, Al, Ca, O in surprising Way also considerable Proportions of silicon found.

Aufgrund der Mikro- bis Nanokristallinität dieser Probenbereiche erfolgte die Untersuchung der Oberfläche und Porenverteilung der Bindermatrix mittels Gasadsorbtion. Für den Binder 5.1 ergaben sich BET-Oberflächen von ca. 30 m2/g bei einer Mikroporenradienverteilung zwischen 1 und 5 nm und einem mittleren Porenradius von 2, 7 nm.Due to the micro- to nanocrystallinity of these sample areas, the surface and pore distribution of the binder matrix was investigated by gas adsorption. For the binder 5.1, BET surface areas of about 30 m 2 / g were obtained with a microporous radii distribution between 1 and 5 nm and an average pore radius of 2.7 nm.

Die Binder sind nach Wasserlagerung raumbeständig. Nach DIN EN 196 bzw. DIN 18127 hergestellte Mörtelprüfkörper erreichen mittlere Druckfestigkeiten nach 28 d von > 10 N/mm2 sowie Durchlässigkeitsbeiwerte nach Darcy von > 8·10-8 m/s. Damit werden die Anforderungen an Deponiebaustoffe auch im Hinblick auf die Forderungen an die Stabilität von Immobilisaten erfüllt.The binders are resistant to space after storage in water. Mortar test specimens produced according to DIN EN 196 or DIN 18127 achieve average compressive strengths after 28 d of> 10 N / mm 2 and permeability coefficients according to Darcy of> 8 · 10 -8 m / s. Thus, the requirements for landfill construction materials are also met with regard to the requirements for the stability of Immobilisaten.

Untersuchungen zur Schadstoffimmobilisierunginvestigations for pollutant immobilization

Die Untersuchungen erfolgten an Pasten und Mörteln des Binders 5.1 im Hinblick auf den Einsatz als Deponiebaustoff/-binder. Den Mischungen wurden lösliche Schwermetalle mit dem Anmachwasser in folgenden Konzentrationen zugegeben: – 187 mg/l K2CrO4 entspricht 50 mg Chrom/l – 78 mg/l ZnCl2 entspricht 37,5 mg Zink/l – 59 mg/l Cd-azetat entspricht 25 mg Cadmium/l The investigations were carried out on pastes and mortars of binder 5.1 with a view to use as landfill builder / binder. Soluble heavy metals were added to the mixtures with the mixing water in the following concentrations: - 187 mg / l K 2 CrO 4 corresponds to 50 mg chromium / l - 78 mg / l ZnCl 2 corresponds to 37.5 mg zinc / l - 59 mg / l cd-acetate corresponds to 25 mg cadmium / l

Bei der Schwermetallauswahl und -konzentration wurde ermittelt, dass die kristallchemische Einbindung in der Reihenfolge Chrom, Zink, Cadmium abnimmt.at heavy metal selection and concentration was determined to be the crystal chemical integration in the order chromium, zinc, Cadmium decreases.

Aus DCA-Untersuchungen geht hervor, dass der Hydratationsverlauf und die Hydratationswärme bei abgeschlossener Reaktion bzw. der Reaktionsumsatz in Form der Ettringitbildung durch die Schwermetalleinbindung nicht signifikant beeinflusst wird. Der erfindungsgemäße kristallchemische Einbau der Schwermetalle nach Mechanismus I. konnte mittels EDX an Ettringitkristalliten nachgewiesen werden.DCA studies show that the course of hydration and the heat of hydration when the reaction is complete or the reaction conversion in the form of ettringite formation are not significantly affected by the heavy metal incorporation. The inventive crystal chemical incorporation of heavy metals Mechanism I was able to be detected by means of EDX on ettringite crystallites.

Wie bindebaustofftechnische Untersuchungen ergaben, wird auch die Druckfestigkeit und Raumbeständigkeit durch die Schwermetalle nicht wesentlich beeinflusst.As Binding technical investigations have been made, also the compressive strength and room stability not significantly affected by the heavy metals.

Die Elutionsversuche erfolgten mittels modifiziertem DEV-S4- bzw. Trogverfahren. Dabei werden nach DEV-S4 die Probkörper auf eine Korngröße < 10 mm gebrochen. Beim Trogverfahren werden Würfel mit einer Kantenlänge von 100 mm eluiert. Die Schwermetallgehalte in den Eluaten wurden mittels AAS (Atom-Adsorptions-Spektroskopie) bestimmt (Tab. 5).The Elution experiments were carried out by means of modified DEV-S4 or trough method. According to DEV-S4, the sample bodies are crushed to a particle size <10 mm. The trough process becomes cubes with an edge length eluted from 100 mm. The heavy metal contents in the eluates were determined by AAS (atomic adsorption spectroscopy) (Table 5).

Tab. 5: Ergebnisse von Elutionsversuchen am Binder 5.1

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Tab. 5: Results of elution experiments on the binder 5.1
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Im Ergebnis werden Cadmium und Zink vollständig durch den Binder immobilisiert, wobei die Gehalte in den Eluaten den O-Proben entsprechen und im Bereich der Bestimmungsgrenze der ASS (alle angegebenen Werte mit < kennzeichnen die Bestimmungsgrenze der AAS, d. h. kleinere Werte können nicht voneinander unterschieden bzw. messtechnisch aufgelöst werden) liegen. Beim Chrom werden Immobilisierungsraten von 96% nach DEV-S4 bzw. 99,5% nach Trogverfahren erreicht, was im Hinblick auf die Ausgangskonzentration sehr positiv zu bewerten ist.in the Result cadmium and zinc are completely immobilized by the binder, wherein the contents in the eluates correspond to the O-samples and in the Range of determination limit of ASS (all specified values are marked with < Limit of quantification of AAS, d. H. smaller values can not distinguished from each other or metrologically resolved) lie. For chromium, immobilization rates of 96% after DEV-S4 or 99.5% by trough method achieved, which in terms of Initial concentration is very positive.

Diese Ergebnisse bildeten die Grundlage für Untersuchungen zur Immobilisierung von schwermetallhaltigen Stoffen aus der Pyrolyse oder Verbrennung von Abfällen. Tab. 6 zeigt exemplarisch die Ergebnisse für einen Rußkuchen (RK) und eine Müllverbrennungsasche (MVA) bei einem Mischungsverhältnis Binder/Abfall von 3:1.These Results formed the basis for immobilization studies of heavy metals containing substances from pyrolysis or incineration of waste. Tab. 6 shows by way of example the results for a soot cake (RK) and a waste incineration ash (MVA) at a mixing ratio Binder / waste of 3: 1.

Tab. 6: Immobilisierung von Abfällen (Eluate nach DEV-S4)

Figure 00150001
Tab. 6: Immobilization of waste (eluates according to DEV-S4)
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Dabei konnten die löslichen Schwermetallgehalte vollständig immobilisiert und damit die Zuordnungskennwerte für die Deponieklassen I und II unterschritten werden. Bei höheren Zumischungen (MV 1: 1) ergeben sich u. U. Probleme hinsichtlich der Ettringitbildung und Raumbeständigkeit des Binders infolge von Chloridgehalten der MVA von >20000 mg/l. Wie laufende erfindungsgemäße Untersuchungen zeigen, lassen sich diese Probleme durch eine wesentliche Steigerung des Aluminatangebots in der Lösungsphase beherrschen. Dabei wird das Chlorid als Friedelsches Salz (3 CaO·Al2O3·CaCl2·10 H2O) gebunden.The soluble heavy metal contents could be completely immobilized and thus the classification characteristics for landfill classes I and II could be undercut. At higher admixtures (MV 1: 1) u. U. Problems with ettringite formation and room stability of the binder due to chloride levels of the MVA of> 20000 mg / l. As ongoing investigations according to the invention show, these problems can be controlled by a substantial increase in the amount of aluminate in the solution phase. In this case the chloride is bound as Friedel's salt (3 CaO · Al 2 O 3 · CaCl 2 · 10 H 2 O).

Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass eine Immobilisierung löslicher Schwermetallverbindungen aus Abfällen durch eine chemisch/adsorptive Bindung an Ettringitphasen möglich und auslaugsicher durchführbar ist. Die nachgewiesenen erfindungsgemäßen Mechanismen eines Multibarriere-Modells gewährleisten eine langzeitstabile Schadstoffeinbindung.According to the invention was found that an immobilization of soluble heavy metal compounds waste by chemical / adsorptive binding to Ettringitphasen possible and auslaugsicher feasible is. The proven mechanisms according to the invention of a multibarrier model ensure one long-term stable pollutant integration.

Claims (5)

Verfahren zur Herstellung eines Deponiebinders zur Immobilisierung und Verfestigung schwermetallhaltiger Abfälle auf einer Deponie, wobei als Deponiebinder verschiedene Aschen aus mit fossilen Brennstoffen betriebenen Kraft- und/oder Heizwerken, Reststoffe und schadstoffhaltige Abprodukte verwendet werden, gekennzeichnet dadurch, dass a) die jeweiligen Löslichkeiten bzw. Konzentrationen ci [g/l] der Phasenbildner CaO (cCaO), Al2O3 (cAl2O3) und festes SO3 (cSO3) für eine Ettringitbildung nach der Formel 3CaO + Al2O3 + 3CaSO4 + 32 H2O ⇒ Ettringit (C3A·3Cs·32H) an allen Ausgangsstoffen in wässriger Lösung im pH-Wertebereich von 11 bis 13 ermittelt b) die Ergebnisse zur Berechnung der Stoffanteile im Hinblick auf eine bevorzugte Ettringitbildung so verwendet werden, das im Gemisch die Teilkonzentrationen ci [g/l] in folgendem Verhältnis stehen cCaO : cAl2O3 : cSO3 = 1 : 0,25–0,35 : 0,65–0,75 c) die ermittelten Anteile zu einem Gemisch mit einem Wasseranteil von 20 bis 40 M.-% gemischt sowie als Schicht in einer Dicke von 150 bis 300 mm auf die vorhandene Deponieoberfläche aufgebracht, verdichtet und als eine sich selbst verfestigende Schicht mit hohen Anteilen eines feinkristallinen, siliciumhaltigen Ettringits ausgebildet wird.A method for producing a landfill binder for immobilization and solidification of waste containing heavy metals in a landfill, being used as landfillers various ashes of fossil-fueled power and / or heating plants, residues and contaminated waste products, characterized in that a) the respective solubilities or concentrations c i [g / l] of the phase former CaO (CaO c), Al 2 O 3 (c Al2O3) and solid SO 3 (c SO3) for ettringite formation according to the formula 3CaO + Al 2 O 3 + 3CaSO 4 + 32H 2 O ⇒ Ettringite (C 3 A · 3Cs · 32H) determined on all starting materials in aqueous solution in the pH range from 11 to 13 b) the results for the calculation of the substance proportions with regard to a preferred ettringite formation are used so that in the mixture the partial concentrations c i [g / l] are in the following ratio c CaO: Al2O3 c: c SO3 = 1: 0.25-0.35: 0.65-0.75 c) the determined proportions mixed to a mixture with a water content of 20 to 40 M .-% and applied as a layer in a thickness of 150 to 300 mm on the existing landfill surface, compacted and as a self-consolidating layer with high levels of finely crystalline , silicon-containing ettringite is formed. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die trockenen Ausgangsstoffe vorgemischt und nach einer Wasserzugabe in Höhe von 20 bis 40 M.-% nachgemischt werden, bevor sie auf die Deponieoberfläche aufgebracht werden.Method according to claim 1, characterized in that that the dry starting materials are premixed and after a water addition in height from 20 to 40% by mass before being applied to the landfill surface become. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass als Aschen kalkreiche Braunkohlefilteraschen (BFA) und/oder Steinkohlefilteraschen (SFA) aus Kalksteinadditivverfahren und/oder alumi natreiche BFA und/oder SFA mit reaktiver Glasphase und/oder sulfathaltige BFA und/oder SFA und/oder Filteraschen aus Müllverbrennungsanlagen mit hohem Chloridanteilen verwendet werden.Method according to claims 1 and 2, characterized by lime-rich lignite filter bags (BFA) and / or as ash Hard coal filter ash (SFA) from limestone additive process and / or alumi natreiche BFA and / or SFA with reactive glass phase and / or sulphate-containing BFA and / or SFA and / or filter ash from waste incineration plants be used with high proportions of chloride. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, dass als Reststoffe freikalkreiche Bestandteile aus der Zementindustrie, wie Bypass- oder Feinmehl, Tonerdeprodukte aus der keramischen, Glas- bzw. Aluminiumindustrie sowie Sulfat-Halbhydrat und/oder Anhydrit aus der Gipsindustrie verwendet werden.Method according to claims 1 to 3, characterized by free-lime-rich constituents from the cement industry as residues such as by-pass or fine flour, clay products from the ceramic, Glass or aluminum industry and sulfate hemihydrate and / or anhydrite from the gypsum industry be used. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, dass als Abprodukte trockene und/oder feuchte und/oder schlammartige Abfälle mit hohen Schadstoffgehalten, wie Sulfat und/oder Chloriden und/oder Schwermetallen verwendet werden.Method according to claims 1 to 4, characterized by that as waste products dry and / or moist and / or muddy scraps with high levels of pollutants, such as sulphate and / or chlorides and / or Heavy metals are used.
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