DE4113440C2

DE4113440C2 - Verfahren zur Sanierung von belasteten Böden

Info

Publication number: DE4113440C2
Application number: DE19914113440
Authority: DE
Inventors: Guenter E Prof Dr Rer Jeromin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-04-26
Filing date: 1991-04-26
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2011-04-27
Also published as: DE4113440A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sanierung von mit Chemikalien oder schädlichen Mikroorganismen belasteten Böden.

Vorliegender Sache liegt die Aufgabe zugrunde, ein derartiges Verfahren vorzuschlagen, das einfach, umweltfreundlich und energiesparend durchgeführt werden kann. Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Unter einem Plasma versteht man ein völlig oder teilweise ionisiertes Gas. Es besitzt eine hohe elektrische Leitfähigkeit und besteht aus Elektronen, Ionen und gegebenenfalls elektrisch neutralen Teilchen.

Nach außen hin ist ein Plasma elektrisch neutral. Jede Materie kann, wenn man hinreichend Energie zuführt, in den Plasmazustand überführt werden. Man bezeichnet Plasma auch als den vierten Aggregatzustand der Materie.

Aufgrund des hohen Ionisierungsgrades sind die Teilchen im Plasma hoch reaktiv. Außerdem entsteht im Plasmazustand Lichtstrahlung, von der insbesondere die Vakuum-UV-Strahlung photochemische Reaktionen auslösen kann.

Man unterscheidet das Hochtemperaturplasma und das Niedertemperaturplasma.

Hochtemperaturplasmen werden bereits verwendet und in sogenannten Plasmabrennern erzeugt. Man kann sie mit Hilfe eines Lichtbogens erhalten, oder aber, wie beim Hochfrequenzplasmabrenner mit Hilfe eines hochfrequenten elektromagnetischen Feldes (beispielsweise bei 20 MHz) erzeugen.

Auch Niedertemperaturplasmen werden heute zunehmend in der Technik eingesetzt. Sie finden in jüngster Zeit Verwendung zur Polymerisation, zur Aktivierung von Kunststoffoberflächen, zum Behandeln von Metalloberflächen und insbesondere in der Elektronikindustrie zum Ätzen von Leiterplatten.

Niedertemperaturplasmen können erzeugt werden durch Mikrowellenentladungen, Koronaentladungen, Gleichstrom- und Niederfrequenz-Glimmentladungen und Hochfrequenz- bzw. Radiofrequenz-Glimmentladung. Niedertemperaturplasmen werden in der Regel bei Drucken von einigen hundert Pascal erzeugt, während Hochtemperaturplasmen bei höheren Drucken erzeugt werden. Die Anwendung des Niedertemperaturplasmaverfahrens für die Sanierung von Böden ist neu. Das Verfahren eignet sich für die Sanierung von Grob- und Feinböden, die vor dem Einsatz gegebenenfalls durch Zerkleinern, Sieben oder Trocknen vorbehandelt wurden. Die Vorteile des Niedertemperaturplasma-Verfahrens gegenüber dem bis heute eingesetzten Hochtemperatur- Verbrennungsverfahren mittels herkömmlicher Brennstoffe wie Gas oder Heizöl sind die folgenden:

1. Das Plasmaverfahren ist umweltfreundlich, weil keine Verbrennungsgase entstehen. Es entstehen lediglich in geringer Konzentration Gase aus den oxidativen Abbauprodukten der Verunreinigungen.
2. Das Plasmaverfahren ist energiesparend.
3. Das Plasma dringt in die kleinsten Hohlräume in den Böden ein und kann auch geringste Spuren von Verunreinigungen in schwer zugänglichen Stellen abbauen.
4. Das Plasmaverfahren ist einfach in der Durchführung und Handhabung.
5. Die Anlagen zur Plasmaerzeugung sind mobil und können leicht an den Ort der Sanierung transportiert werden.
6. Das Plasma ist "dosierbar" und kann je nach Verunreinigungsgrad des Bodens den jeweiligen Verhältnissen angepaßt werden.

Die Sanierung des Bodens geschieht in sogenannten Plasma- Reaktoren, die zweckmäßigerweise als Drehtrommelreaktoren konstruiert sind, mit einer Kippvorrichtung oder anderweitiger Konstruktion zur leichten Befüllung und Entleerung des Reaktors. Die Bedingungen, die für ein bestimmtes Sanierungsproblem gewünscht werden, prüft man zweckmäßigerweise in einem Laborreaktor. Durch Variation der Temperatur, Druck, Prozeßdauer und Zugabe von Gasen oder Gasgemischen wie Sauerstoff, Luft, Stickstoff, Edelgase, Kohlenstofftetrafluorid, Schwefelhexafluorid u. a. lassen sich auch für stark belastete Böden die geeigneten Bedingungen für die Sanierung herausfinden.

Die eigentliche Sanierung kann dann vor Ort in Reaktoren mit bis zu einigen m³ Volumeninhalt erfolgen. Dabei gestaltet sich die Durchführung denkbar einfach. Der Boden, der gegebenenfalls vorbehandelt wurde, wird in die Trommel des Plasmareaktors gefüllt, die Kammer verschlossen, mittels einer Vakuumpumpe evakuiert und das Plasma gezündet. Unter Drehen der Trommel läßt man das Plasma, zweckmäßigerweise in Gegenwart eines oxidierenden Gases, wie Sauerstoff oder Sauerstoff/Tetrafluormethan-Gemische oder Luft, entsprechend den vorher im Labor ermittelten Prozeßparametern einwirken.

Nachdem der Prozeß beendet ist, wird die Kammer geöffnet und der Boden durch Kippen derselben aus dem Reaktor geschüttet oder durch eine andere Vorrichtung entfernt.

Das Verfahren ist weitgehend automatisierbar, die Prozeßparameter lassen sich in einer Steuereinheit programmieren. Prinzipiell ist auch eine kontinuierliche Durchführung durch den Einbau von Schleusen möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt eine leistungsfähige Methode dar, um die zunehmend mit gefährlichen und gesundheitsschädlichen Chemikalien und Mikroorganismen belasteten Böden zu sanieren.

Beispiele

Die folgenden Versuche wurden mit einem Laborplasmaofen durchgeführt, der mit einer Drehtrommel (4 U/min.) ausgestattet war. Zündfrequenz 2.45 GHz, Zünddruck 60 Pa, Arbeitsdrucke ca. 90-150 Pa, Arbeitsgas Sauerstoff (200 ml/min), Leistung 600 Watt bzw. 1200 Watt. Zum Einsatz kam ein Standardboden, der mit Chemikalien versetzt wurde und zwar mit 1000 ppm Phenol (Beispiel 1), 1000 ppm Nitrophenol (Beispiel 2) und 1000 ppm Phenanthren (Beispiel 3). Außerdem wurde ein mit Kohlenwasserstoffen verunreinigter und zur Sanierung anstehender Tankstellenboden im Plasma behandelt (Beispiel 4).

Die Temperatur im Ofen wurde durch Zugabe von definiert schmelzenden Substanzen (Menthol 42°C, 1,2-Cyclohexandiol 102°C, Phenanthrenchinon 203°C und Phenylglycin 290°C), eingeschmolzen in Schmelzpunktsröhrchen, kontrolliert (Beispiele 1 bis 3), sowie mit Hilfe von Temperaturindikatoren, die auf die Trommel aufgeklebt wurden (Beispiel 4).

Die Analytik der Stoffe aus dem Boden erfolgte mittels der HPLC (RP 18, MeOH/H₂O) nach Extraktion mit Chloroform. Alle Versuche sind nicht optimiert.

Beispiel 1: Abbauversuche von Phenol im Niedertemperaturplasma bei 600 Watt Leistung Versuch 1

100 g mit 1000 ppm Phenol kontaminierter Standardboden wurden in die Drehtrommel des Plasmaofens gegeben und der Ofen evakuiert. Nach Erreichen des Zünddruckes zündete das Plasma automatisch. Arbeitsdruck 150 Pa. Nach einer Minute wurde die Behandlung abgebrochen. Der Temperaturindikator (Schmelzpunktröhrchen mit Menthol) war noch nicht einmal geschmolzen. Die Temperatur war somit niedriger als 42°C. Nach der HPLC-Analyse ergab sich ein Reststoffanteil vor 970 ppm Phenol.

Versuch 2

Gleiche Durchführung wie in Versuch 1, Einwirkdauer 5 Minuten, Arbeitsdruck 125 Pa. Temperatur ca. 40-42°C (Menthol angeschmolzen). Restphenolgehalt: 884 ppm.

Versuch 3

Gleiche Durchführung wie in Versuch 1, jedoch Einwirkdauer des Plasmas 20 Minuten, Arbeitsdruck 89 Pa. Temperatur zwischen 42°C und 102°C (Cyclohexandiol aber nicht geschmolzen!). Restphenolgehalt nach HPLC-Analitik 500 ppm.

Tabelle 1: Zeitlicher Ablauf des Phenols

Beispiel 2: Abbauversuch von p-Nitrophenol im Niedertemperaturplasma bei 1200 Watt

100 g Standardboden, der mit 1000 ppm Nitrophenol kontaminiert wurde, wurde in den Plasmaofen gebracht. Bei 60 Pa zündete das Plasma. Arbeitsdruck 100 Pa. Der Versuch wurde nach 15 Minuten abgebrochen. Die Temperatur erreichte 102°C (Cyclohexandiol gerade angeschmolzen). Restgehalt an p-Nitrophenol nach der HPLC- Analytik 380 ppm.

Tabelle 2: Zeitlicher Abbau von p-Nitrophenol

Beispiel 3: Abbauversuch von Phenanthren im Niedertemperaturplasma bei 1200 Watt

100 g Standardboden, der mit 1000 ppm Phenanthren kontaminiert wurde, wurde wie beschrieben dem Plasma ausgesetzt.

Arbeitsenddruck 96 Pa. Nach 15 Minuten wurde der Versuch abgebrochen. Temperatur 102°C. Restgehalt an Phenanthren nach HPLC-Analytik des Bodens: 450 ppm.

Tabelle 3: Zeitlicher Abbau von Phenanthren

Beispiel 4: Behandlung eines mit Kohlenwasserstoffen verunreinigten Tankstellenbodens

100 g nach Ölen und Benzinen riechender Tankstellenboden, der deutlich mit teerähnlichen Verunreinigungen kontaminiert war, wurde dem Plasma wie beschrieben ausgesetzt. Einwirkdauer 45 Minuten, Arbeitsenddruck 44 Pa. Die aufgeklebten Temperaturindikatoren zeigten eine Temperatur im Ofen von lediglich 166°C! an. Nach erfolgter Plasmabehandlung war der Abbau der Kontamination durch den Geruch des Bodens (neutral), der Farbe des Bodens (deutlich heller) und der Struktur des Bodens (wie Sandkörner, kleine Steinchen u. a. m.) deutlich sichtbar.

Claims

1. Verfahren zur Sanierung von mit chemischen Verbindungen und/oder Mikroorganismen belasteten Böden, wobei die Böden einem Niedertemperaturplasma ausgesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung in einem Drehtrommelreaktor durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Plasma ein Gas zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas Luft oder Sauerstoff zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas ein Edelgas, Tetrafluormethan, ein Gemisch aus Sauerstoff/Tetrafluormethan, Fluor oder Schwefelhexafluorid zugeführt wird.