DE3526508A1 - Verfahren zur abdichtung einer lagerung von metallkationen enthaltenden abfaellen - Google Patents
Verfahren zur abdichtung einer lagerung von metallkationen enthaltenden abfaellenInfo
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Description
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
-A-
Die Erfindung betrifft ein Ver-ahren zur Abdichtung einer :
Lagerung von Metallkationen enthaltenden Abfällen. :
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren soll insbesondere eine \
spezielle Dichtbrühe verwendet werden/ welche die Wanderung ;
von Metallkationen zur Umgebung verhindern oder abbremsen i
soll. l
Die beim erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Brühe ermög- ,
licht insbesondere die Ausbildung einer hydraulischen Barriere,\
welche die Eigenschaften besitzt, Schwermetallkationen in den
unterschiedliche Merkmale aufweisenden Böden zurückzuhalten. ;
unterschiedliche Merkmale aufweisenden Böden zurückzuhalten. ;
Der Schutz von Industrieabfällen gewinnt insofern eine große '
Bedeutung, als eine Verschmutzung der Umwelt verhindert werden ; soll und somit die manchmal besonders schweren Vergiftungs- j
gefahren für die in der Nähe der Abfallsammelstellen wohnende j Bevölkerung vermieden werden muß.
Zurzeit erfolgt neben der Lagerung von radioaktiven Abfällen, I welche besonders strenge und kontrollierte Maßnahmen erfordert,
die Lagerung von Industrieabfällen in der Weise, daß i eine hydraulische Barriere rund um die Lagerung ausgebildet j
wird, um einen Schutzschirm zwischen der Lagerung und der I Umgebung auszubilden. ;
Trotzdem erlaubt diese Art eines Schutzschirmes oftmals nicht, \
die Wanderung bestimmter Schwermetallkationen, insbesondere
giftiger Schwermetalle wie Blei und/oder Quecksilber zu bremsen.
giftiger Schwermetalle wie Blei und/oder Quecksilber zu bremsen.
Übrigens wird bei einer derartigen Anlage empfohlen, innerhalb
des Schutzschirmes oder der Barriere ein Wasserniveau aufrecht zu erhalten, welches unter dem des natürlichen Grundwassers
; liegt, um bei Rißbildung im Dichtschirm zu gewährleisten, daß
das Wasser aus der Umgebung in die Lagerung hineinfließt.
\ Daraus ergibt sich, daß die Lagerungen ständigen Kontrollen
unterworfen werden müssen, um das richtige Wasserniveau zu • gewährleisten und dadurch jedem bemerkenswerten Auslecken
; infolge von Rißbildungen im Dichtschirm zuvorzukommen.
, Bei der Lagerung von radioaktiven Abfällen wurde gemäß der europäischen Patentschrift 0081403 ein Verfahren vorgeschlagen,
bei welchem eine spezielle Injektionsbrühe verwendet wird, welche auf 100 Gewichtsteile Wasser 40 bis 400 Gewichtsteile
Zement, 80 bis 1000 Gewichtsteile wenigstens eines Tones aus der Gruppe Montmorillonit, Illit und Vermikulit sowie 25 bis
1200 Gewichtsteile Kieselgur und/oder natürliche oder künstliche Puzzolanerde enthält.
j Aufgrund seiner Zusammensetzung besitzt diese Brühe alle Eigen-
; schäften, welche zur Ausbildung einer Barriere erforderlich
; sind, welche in Bezug auf radioaktive Ionen besonders wirksam
: ist.
! Allerdings ermöglicht diese Brühe aufgrund ihrer eigentlichen Zusammensetzung nicht, die Wanderung von giftigen Schwermetallkationen
wie von Blei und/oder Quecksilber zu verhindern.
— 6 —
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.
Erfindungsgemäß enthält die zu injizierende Brühe bestimmte
Zusätze, welche tatsächlich die Bildung unlöslicher oder nur schwer löslicher Verbindungen hervorrufen, welche nicht mitgerissen
werden, sondern die Poren oder Mikroporen des Beton verstopfen und dadurch nicht nur dessen Dichtheit, sondern
auch dessen Dichtungsfähigkeit verbessern.
Eine mit diesen Zusätzen hergestellte Brühe liefert daher einen Schutzschirm, der wasserundurchlässig ist und gleichzeitig
die Metallkationen zurückzuhalten vermag. Der Schutzschirm kann durch Injektionsimprägnierung des Bodens hergestellt
werden und ist gegenüber den Metallkationen chemisch aktiv.
Die Additive sind in zweifacher Hinsicht gegenüber den Metallkationen
aktiv, und zwar einmal durch die Bildung unlöslicher Verbindungen, wodurch die Ionenkonzentration in der Lagerung
verringert und der Gehalt an Ionen in der festen Phase erhöht wird, und zum anderen durch Adsorption, da die unlöslichen
Verbindungen bei ihrem allmählichen Verrücken im Schutzschirm durch bestimmte Bestandteile der Brühe, insbesondere durch
siliziumhaltige Produkte mit großer spezifischer Oberfläche, fixiert werden.
Gekennzeichnet ist ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Abdichtung einer Lagerung von Metallkationen enthaltenden Abfällen
im Boden, bei welchem die Lagerung dadurch isoliert
wird, daß wenigstens eine Barriere oder Abschirmung zur Abdichtung
und zum Zurückhalten von Schwermetallkationen ausgebildet wird, indem in die Hohlräume des Bodens oder in die
Felsspalten des die Lagerung umgebenden Erdbodens eine Brühe eingefüllt oder injiziert wird, welche auf 1000 Gewichtsteile
Wasser 60 bis 500 Gewichtsteile Zement, 25 bis 500 Gewichtsteile Ton und 0 bis 800 Gewichtsteile eines natürlichen oder
künstlichen siliziumhaltigen Produktes enthält, im wesentlichen dadurch, daß die zu injizierende Brühe außerdem zum
Zurückhalten der Schwermetallkationen eine Mischung aus 2 bis 60 Gewichtsteile Natriumkarbonat, 0,5 bis 20 Gewichtsteile eines alkalischen Metallpyrophosphates und/oder eines
alkalischen Metalltartrates enthält.
Das Vorhandensein von Natriumkarbonat einerseits und von alkalischen Pyrophosphat und/oder alkalischen Metalltartrat
andererseits ermöglicht durch chemische Reaktion mit den Schwermetallkationen die Ausbildung von in Wasser unlöslichen
oder schwer löslichen Salzen.
Vorzugsweise enthält die Zusatzmischung als alkalisches Metallpyrophosphat Natriumpyrophosphat und als alkalisches
Metalltartrat Kaliumtartrat. Wenn die zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Brühe eine Mischung von Natriumpyrophosphat und Kaliumtartrat enthält, so beträgt
diese Mischung 3 bis 15 Gewichtsteile und das Verhältnis Pyrophosphat/Tartrat beträgt 3:1 bis 15:1, vorzugsweise 5:1
bis 10:1.
3526 5 O 8_
Andrejewski, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Brühe soll
insbesondere bestimmte besonders giftige Metallkationen, ins- !
besondere von Blei (Pb ) und von Quecksilber (Hg+ und Hg+) '
j I
ι zurückhalten. ;
I
ι :
Die Bildung unlöslicher Salze erfolgt dank der Reaktion der j
; Metallkationen mit dem Natriumkarbonat einerseits und gleich- j
zeitig dem Natriumpyrophosphat und/oder Kaliumtartrat anderer- '
j seits. :
[ I
ι ;
Insbesondere beim Blei erfolgt die Ausbildung unlöslicher ; ; Verbindungen über das Natriumkarbonat und gleichzeitig über das1
! Natriumpyrophosphat gemäß nachstehender Reaktionsgleichungen: ,
2+ +
3Pb(aq) + 2Na2CO3(aq) + 2 (0H) ^PbCO3 , Pb(OH)2 + 4Na ( ) '
3Pb(aq) + Na2H2P2°7 ' H2°(aq) ~Pb2P2°7 + 2Na(aq)+ 2(H30) \
2Pb2(aq)+ Na2H2P2°7' H2° (aq)"*" Pb2P2°7 ' H2O+2NaUq)+2(H3O) |
Bei den gebildeten Verbindungen \ handelt es sich um das natürliche
Zerussit (PbCO3), dessen Löslichkeit bei 2O0C 1,1·10~4|
für 100g Wasser (etwa 1ppm) beträgt, um das Hydrozerussit i
(2PbCO.,, Pb(OH)0), welches in Wasser unlöslich ist, und um die i
Bleipyrophosphate (Pb9P0O7 und Pb0P0O7, H0O), welch1 letztere I
ebenfalls in Wasser unlöslich sind. !
Andrejewslci, Honice & Partner, Patentanwälte in Essen
— -9 —
Beim Quecksilber (Hg ) erfolgt die Bildung unlöslicher Verbindungen
durch Reaktion in Gegenwart von Natriumkarbonat und Kaliumtartrat gemäß nachstehender Reaktionsgleichungen:
(aq) +Na2CO3
H2°(aq)
Das Quecksilberkarbonat (CO^Hg0) besitzt eine Löslichkeit von
— 6
4,5 10 g für 100g Wasser (ungefähr 0,05 ppm) und das Quecksilbertartrat (Hg2C4H4O6) ist in Wasser unlöslich.
4,5 10 g für 100g Wasser (ungefähr 0,05 ppm) und das Quecksilbertartrat (Hg2C4H4O6) ist in Wasser unlöslich.
Beim Quecksilber (Hg +) läßt die Reaktion der Bildung unlöslicher
Salze insbesondere das Natriumkarbonat gemäß nachstehender Reaktionsgleichung eintreten:
3Hg
2+
2 C02
j Das entstandene Quecksilberkarbonat (HgCO-, 2H 0) ist in
Wasser unlöslich.
Das in der Brühe vorhandene Natriumkarbonat spielt neben der Begünstigung der Ausbildung unlöslicher Verbindungen gleichfalls
die Rolle eines Aktivators des siliziumhaltigen Produktes.
Erfindungsgemäß befindet sich das siliziumhaltige Produkt in der Brühe in feinverteilter Form, d.h. es besitzt eine große
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- 10 -
Oberfläche pro Gewichtseinheit und vorzugsweise eine spezifi-
2 sehe Oberfläche von mehr als 3000 cm /g.
Die große spezifische Oberfläche der verwendeten siliziumhaltigen Produkte begünstigt die Absorption der ausgebildeten
unlöslichen Produkte bei ihrem eventuell allmählichen Vorrücken in den Dichtungsschirm.
Bei dem verwendeten siliziumhaltigen Produkt kann es sich eventuell um Silizium in reinem Zustande oder vorzugsweise
um Produkte handeln, welche einen Gehalt von wenigstens 80 bis 90 Gew.% an SiO3, insbesondere künstliche Puzzolanerden,
besitzen, welche beispielsweise durch spezielle Silikate, Flugaschen usw. gebildet werden.
Das Silizium in Form von Puzzolanerden erlaubt in Gegenwart von Wasser eine Fixierung des Kalziumhydroxids, um die Bildung
von stabilen Verbindungen zu verursachen, welche hydraulische Eigenschaften besitzen. So verbindet sich der bei der Umwandlung
des Bi- und Tri-Kalziumsilikats des Zements freigesetzte
Kalk langsam mit dem Silizium und dem Aluminium der in der Brühe vorhandenen Flugaschen, um unlösliche Kalziumsilikate
und Kalziumaluminate zu bilden, was dazu beiträgt, die Stabilität der kristallinen Struktur sowie die hydraulischen Eigenschaften
und das Rückhaltevermögen des Bindemittels zu verstärken.
Im übrigen verhindert der Zusatz von Silizium wie beispielsweise von Puzzolanerden die Phänomene des möglicherweise bei
- 11 -
Erstarrung der Brühe durch Freigabe alkalischer Verbindungen, welche durch die Puzzolanerden absorbiert werden, auftretenden
Absetzens.
Die verwendeten Zemente werden hauptsächlich aus Bi- und Trikalziumhaltigen
Silikaten, Tri-kalziumhaltigem Aluminat, einer ferritischen Phase und aus Gips gebildet. Als Zemente kann man
verschiedene Arten verwenden, beispielsweise Portland-Zement
sowie Zemente, welche beispielsweise eine gewisse Menge an Hochofenschlacke enthalten oder Flugasche wie die handelsüblichen
Zemente unter der Bezeichnung CLK (Zement, welcher mindestens 80% Schlacke enthält) und CPJ (Zement, welcher
70 bis 80% Klinker enthält).
Die Zementmenge kann zwischen 60 und 650 Gewichtsteilen
schwanken, was von der mechanischen Festigkeit abhängt, die man dem Dichtungsschirm erteilen will, welcher die gewünschten
Eigenschaften der Zurückhaltung von Metallkationen besitzt.
Bei den verwendeten Tonen handelt es sich um natürliche Tone, welche in der Gruppe Betonit, Kaolin, Montmorillonit, Attalj
pugit, Illit oder Vermikulit zusammengefasst sind.
Durch ihre kolliodalen Eigenschaften gewährleisten sie die Stabilität der Zementschlämme.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Dichtungsbrühe kann ebenfalls gewisse Zusätze erhalten, um die rheologischen
Parameter der Brühe den Merkmalen des Erdbodens anzu-
- 12 -
passen. So kann der Brühe ein Beschleuniger wie beispielsweise Kalziumchlorid zugesetzt werden oder ein Abbindeverzögerer wie
Natriumlignosulfit, um die Parameter-Viskosität-Starrheit zu
modifizieren und rheologisch optimale Merkmale zu erreichen.
Die Menge dieser verschiedenen Zusätze beträgt im allgemeinen erfindungsgemäß 5 bis 50 Gewichtsteile auf 1000 Gewichtsteile
Wasser.
Die Mengen an Ton und Zement werden entsprechend den Merkmalen des Erdbodens, in welchen die Brühe injiziert werden soll, bestimmt.
Tatsächlich läßt bei einer erhärteten Brühe die Prüfung der Beziehung von Zusammenziehung zu Verformung drei Bereiche
entsprechend den verschiedenen Krümmungen der Kurve erkennen, und zwar
Verformung im elastischen Bereich,
Verformung im plastischen Bereich und den Kriechbereich.
Um dem Ganzen eine gute Rißfestigkeit unter seitlicher Einschnürung
zu verleihen, muß die Brühe im Bereich der plastischen Verformungen verwendet werden, damit sie sich ohne zu
reißen verformen kann. So kann der aus der Brühe hergestellte Schutzschirm einen zusätzlichen Festigkeitsfaktor gegenüber
den natürlichen oder künstlichen Störungen wie seismischen Erschütterungen, Springfluten usw. aufweisen.
Andrejewsld, Honke & Partner, Patentanwälte in Essen
- 13 -
Erfindungsgemäß werden ebenfalls die Anteile der verschiedenen; Bestandteile in der Brühe derart eingestellt, daß diese eine j
zufriedenstellende Stabilität erhält. t
So muß die Brühe bei einem Einsatz in einer Anlage zur Lagerung von Abfällen im Boden eine derart große Stabilität aufweisen,
daß bei der Injektion ein ausreichendes Durchdringen oder Eindringen der Brühe in die Risse und Poren des Terrains i
erreicht wird, um beispielsweise eine Barriere mit einer Dicke; von 10m zu erhalten, welche dadurch der Lagerungsanlage einen j
ι ewigen Bestand sichert.
Die Injektion der Brühe in den Boden erfolgt mittels herkömmlicher
Einrichtungen unter einem Injektionsdruck von im allgemeinen 5 bis 20 bar.
Die Viskosität der Brühe hängt von der Art des Bodens ab, der j behandelt werden soll, und der Druck wird derart angepasst,
daß die Bodenaushöhlungen oder Risse ausgefüllt werden können.
In den nachfolgenden Tabellen I bis III sind verschiedene Arten von Brühen zusammengefasst, welche bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren eingesetzt werden können.
In der Tabelle I sind die Brühen 1 bis 4 insbesondere dazu bestimmt, Dichtschirme durch Perforation des Terrains unter
selbsthärtendem Schlamm auszubilden, wobei die Brühe 1 und 2 Ionen Pb und die Brühen 3 und 4 Ionen Hg und Hg zurückzuhalten
vermögen.
- 14 -
In diesen Brühen wird vorzugsweise als Zement handelsüblicher Zement mit der Bezeichnung CLK 45, als Ton Montmorillonit und |
als siliziumhaltiges Produkt in den Brühen 2 und 4 Siliziumdämpfe sowie in den Brühen 1 und 3 Flugasche verwendet.
Den Brühen 1 bis 4 können außerdem Fließmittel und/oder Abbindeverzögerer
je nach den Merkmalen des zu behandelnden Bodens zugesetzt werden.
In der Tabelle II sind die Brühen 5 bis 12 insbesondere zur Behandlung von Böden mit rissigen Felsen bestimmt, wobei die
Brühen 5 bis 8 Eigenschaften zum Zurückhalten der Pb -Ionen und die Brühen 9 bis 12 Eigenschaften zum Zurückhalten der
Hg - und Hg -Ionen besitzen.
In den Brühen 7, 8, 11 und 12 wird Zement CLK und in den
Brühen 5, 6,9 und 10 Zement CPA verwendet. Als siliziumhaltiges
Produkt wird für die Brühen 5, 7, 9 und 11 Flugasche
und für die Brühen 6, 8, 10 und 12 Siliziumdampf verwendet.
In der Tabelle III sind die Brühen 13 bis 18 insbesondere
zum Ausfüllen großer Hohlräume im Boden bestimmt und gewähr-
leisten das Zurückhalten von Pb -Ionen und von Hg - und
2+
Hg -Ionen.
Hg -Ionen.
In diesen Brühen wird als Zement das handelsübliche Produkt CLK 45 verwendet, welches einem Produkt mit einem Schlacken-
- 15 -
gehalt von 80% entspricht, während als Ton Montmorillonit
und als siliziumhaltiges Produkt Flugasche in den Brühen und 16, Siliziumdampf in den Brühen 15 und 18 und eine
Mischung aus Flugasche (90%) und Siliziumdampf (10%) in den Brühen 14 und 17 verwendet wird.
Wie man sieht, haben die Brühen 13 bis 18 der Tabelle III
einen wesentlich höheren Gehalt an Trockenstoffen als die Brühen der Tabellen I und II, wodurch sie insbesondere zum
Ausfüllen großer Hohlräume geeignet sind, während die Brühen insbesondere der Tabelle I mit geringem Gehalt an Trockenstoffen
sich insbesondere zum Ausfüllen von sehr engen Rissen eignen.
. Die verschiedenen Kontrollversuche haben die große Wirksamj keit der hergestellten Schutzschirme zum Zurückhalten ver-'
schiedener giftiger Schwermetallkationen wie insbesondere
; von Blei und Quecksilber gezeigt, doch ist die Erfindung ι
keineswegs auf diese Kationenbeispiele begrenzt.
Selbstverständlich läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch mit einer Brühe durchführen, welche groben Flußkies,
Sand und dgl. enthält, um plastischen oder festen Beton zu erhalten.
- 16 -
,Brühe
Bestandteile"
Bestandteile"
Wasser (1) 1000
Ton (kg) 28
Zement (kg) 75
Silizxumhaltxges Produkt 55 Natriumkarbonat (kg) c^
Natriumpyrophosphat (kg) Kaliumtartrat (kg)
1000
120
| 1000 | 1000 |
| 29 | 27 |
| 85 | 135 |
| 60 | 30 |
| 3,5 | 5 |
0,65
0,8
Wasser (1)
Ton (kg)
Zement (kg)
Ton (kg)
Zement (kg)
Silizxumhaltxges
Produkt (kg)
Produkt (kg)
Natriumkarbonat (kg)
NatriumpyrophosOhat
(kg)
(kg)
Kaliumtartrat
(kg)
(kg)
1000 1000 1000 1000 1000 1000
33 35 40 30 32 34
300 300 300 400 300 300
280 40 160 25 380 43 180
| 1000 | 1 | 000 |
| 30 | 37 | |
| 300 | 400 |
28
| 5 | 6 | Tabelle | II | 9 | 10 | 11 | 12 | I | |
| ! | |||||||||
| ——^Brühe ; Bestandteile |
7 8 | ! I |
|||||||
3,8 8,5 4,2 5,5 3r5
0,8 1,25 1,4
- 17 -
Brühe
Bestandteile"
Bestandteile"
13
14
16
17
18
Wasser (1) 1000 Ton (kg) 45 Zement (kg) 250
Silizium-
haltiges 600 Produkt (kg)
Natriumkarbonat (kg) 25
Natrium-
pyrophosphat 5,5 (kg)
Kaliumtartrat 0,5 (kg)
1000
35
250
550
24
24
6,5
0,5
1000
250
250
5,5
0,5
1000 50
250
600 26
0,6
1000
30
250
550 26
1000
42
250
320 25
0,9 0,5
Claims (8)
1. Verfahren zur Abdichtung einer Lagerung von Metallkationen
enthaltenden Abfällen im Boden, bei welchem die Lagerung dadurch isoliert wird, daß wenigstens eine Barriere oder Abschirmung zur
Abdichtung und zum Zurückhalten von Schwermetallkationen ausgebildet wird, indem in die Hohlräume des Bodens oder in die
Felsspalten des die Lagerung umgebenden Erdbodens eine Brühe eingefüllt oder injiziert wird, welche auf 1000 Gewichtsteile
Wasser 60 bis 500 Gewichtsteile Zement, 25 bis 500 Gewichtsteile
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Ton und 0 bis 800 Gewichtsteile eines natürlichen oder künstlichen
siliziumhaltigen Produktes enthält, dadurch
gekennzeichnet , daß die zu injizierende Brühe außerdem zum Zurückhalten der Schwermetallkationen eine
Mischung aus 2 bis 60 Gewichtsteilen Natriumkarbonat, 0,5 bis 20 Gewichtsteilen eines alkalischen Metallpyrophosphates
und/oder eines alkalischen Metalltartrates enthält.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzmischung als alkalisches Metallpyrophosphat Natriumpyrophosphat
und als alkalisches Metalltartrat Kaliumtartrat enthält.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brühe 3 bis 15 Gewichtsteile einer
Mischung aus Natriumpyrophosphat und Kaliumtartrat im Verhältnis 3:1 bis 15:1 Pyrophosphat/Tartrat enthält.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brühe ein siliziumhaltiges Produkt
mit einem Gehalt von wenigstens 80 bis 90 Gew.% SiO enthält.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brühe als siliziumhaltiges Produkt natürliche oder künstliche
Puzollanerden, Flugasche und/oder Dämpfe von Silizium enthält.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das siliziumhaltige Produkt eine spezi-
2 fische Oberfläche von mehr als 3000 cm /g besitzt.
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7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Brühe vorhandene Ton ausgewählt
wird aus Bentonit, Kaolin, Montmorillonit, Attapulgit, Illit
oder Vermikulit. '
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brühe gleichfalls 5 bis 50 Gewichtsteile wenigstens einen Zusatz wie einen Abbindeverzögerer
oder -beschleuniger auf 1000 Teile Wasser enthält.
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