DE69822741T2

DE69822741T2 - Zusammensetzung zur Entgiftung von festem Abfall

Info

Publication number: DE69822741T2
Application number: DE1998622741
Authority: DE
Inventors: William M. Jones; Michael P. Doyle; Bruce W. Page
Original assignee: Encapco LP
Current assignee: Encapco LP
Priority date: 1997-09-17
Filing date: 1998-09-16
Publication date: 2005-01-13
Anticipated expiration: 2018-09-17
Also published as: US5968245A; EP0903185B1; EP0903185A3; ES2218775T3; ATE262987T1; EP0903185A2; DE69822741D1

Description

Die Erfindung betrifft die Behandlung und Entgiftung von festem Abfall, welcher kationische Metalle enthält. Insbesondere betrifft diese Erfindung die Formulierung von auf organischen Substanzen basierenden Emulsionen, die chelatbildende oder komplexbildende Mittel oder Mittel zur Bildung von unlöslichen Metallverbindungen enthalten. Die Emulsionen werden dann verwendet, um zwei Funktionen zu dienen: 1) Immobilisieren des kationischen Metalls, wie durch den TCLP ("Toxicity Characteristic Leaching Procedure")-Test der EPA (United States Environmental Protection Agency; U.S.-Umweltschutzbehörde) bestimmt, und 2) Erzeugen eines wiederverwerteten bzw. wiederverwertbaren Produkts mit verbesserten Struktureigenschaften verglichen mit dem unbehandelten festen Abfall. Der entgiftete feste Abfall wird dann an Ort und Stelle wiederverwendet oder für eine kommerzielle Verwendung weg transportiert.
Wird Land über viele Jahre hinweg genutzt, sind verschiedene Verunreinigungen eingeführt worden, welche zu toxischen Zuständen führen. In der Vergangenheit sind solche Zustände routinemäßig ignoriert worden. Jedoch sind Einzelpersonen wie auch Regierungsstellen für Probleme, die sich aus der Anwesenheit von gefährlichem Abfall, einschließlich verunreinigten Böden, ergeben, zunehmend sensibler geworden und es besteht jetzt die allgemeine Auffassung, dass eine Entgiftung nicht lediglich ein optionaler Behelf ist.
Eine solche anerkannte Klasse von Verunreinigungen besteht aus kationischen Schwermetallen, wie Blei. Kapillar- und hydraulische Ströme von Wasser in porösen Medien, welche durch solche Schwermetallspezies verunreinigt sind, haben beispielsweise zur Verunreinigung von wasserführenden Schichten geführt. Die Entfernung von Schwermetallen aus verunreinigten Böden erfordert einen hohen Energieaufwand und ist zeitaufwändig, da die Mobilität von Schwermetallionen im Boden um Größenordnungen langsamer ist als in Wasser. Darum sind Wege gesucht worden, um Böden zu entgiften durch chemische Behandlung, wie das Binden der Metall- Verunreinigungen an Ort und Stelle, so dass sie aus dem Boden nicht mehr auslaugen, wodurch bei substantiellen Kosteneinsparungen ein signifikanter Nutzen für die Umwelt erzeugt wird.
Ein häufiges kationisches Metall, welches eine Entgiftung in festen Abfallmaterialien erforderlich macht, ist Blei. Blei wird als Verunreinigung oftmals in den Böden um Bleischmelzen, Batterie-Aufbrech/Verwertungsanlagen, Anlagen, welche mit Asche aus Verbrennungsanlagen umgehen, und Gießereien, einschließlich Anlagen zur Herstellung von Metallen und von bleihaltigen Kraftstoffen, herum gefunden. Eine Verunreinigung tritt auf, wenn Blei enthaltende Chemikalien in den Anlagen verwendet werden und man Blei enthaltenden Abfall über den Boden verschüttet oder in den Boden einsickern lässt. Viele aufgegebene Orte mit gefährlichen Abfallmaterialien sind schwer mit Blei verunreinigt, wodurch die menschliche Gesundheit, die Nahrungskette, das Ökosystem und die Umwelt bedroht werden. Die Bundesgesetzgebung der Vereinigten Staaten, wie der "National Contingency Plan" (NCP), der "Superfund Act" (CERCLA) und der "Superfund Amendments Reauthorization Act" (SARA), spezifizieren die Entgiftung von Orten, die aufgrund von Bleiverunreinigungen toxische Böden und andere feste Abfallmaterialien enthalten.
Der "Resource Conservation and Recovery Act" der Vereinigten Staaten aus dem Jahre 1976, der allgemein als RCRA bekannt ist, lieferte eine bundeseinheitliche Klassifizierung von gefährlichem Abfall. Der gesetzliche Wortlaut definiert "hazardous waste" ("gefährlichen Abfall") als festen Abfall oder Kombinationen von festem Abfall, die eine "substantial present or potential hazard ... when improperly treated, stored, transported, or disposed of, or otherwise mismanaged" ("substantielle bestehende oder potentielle Gefährdung ... bei ungeeigneter Behandlung, Lagerung, ungeeignetem Transport oder ungeeigneter Entsorgung oder bei sonstiger fehlerhafter Handhabung") darstellen. Ein jeglicher fester Abfall, der eines der in Unterabschnitt C von Teil 261, Band 40, Code of Federal Regulations (CFR), definierten Gefährdungskriterien aufweist, ist per definitionem ein gefährlicher Abfall oder ein gefährliches Abfallmaterial.
Ein fester Abfall oder ein festes Abfallmaterial wird als gefährliches Abfallmaterial angesehen, wenn er bzw. es aufgelistet ist oder er bzw. es Eigenschaften von entweder Entzündlichkeit, Korrosivität, Reaktivität oder Toxizität, wie bestimmt durch die "Toxicity Characteristic Leaching Procedure" (TCLP) (USEPA-Methode 1311), zeigt. Der Test zielt darauf ab, die Tendenz von Abfallmaterialien zu identifizieren, eine Auswaschungs- oder Auslaugungslösung mit Konzentrationen von Verunreinigungen, die höher als die im Appendix II des "Code of Federal Regulations", Teil 261.24, Seite 406, überarbeitete Fassung vom 01. Juli 1988, sind, zu erzeugen. Wenn beispielsweise festgestellt wird, dass die Konzentrationen von auslaugbarem mobilem Blei höher als 5 Milligramm pro Liter betragen, wird das Material in charakteristischer Weise als toxisch hinsichtlich Blei und folglich gefährlich in Hinblick auf den Bleigehalt angesehen. Solche in charakteristischer Weise toxischen Abfallmaterialien erfordern eine Behandlung, um den USEPA-Bestimmungen, die die Behandlungsstandards für die jeweilige betreffende Verunreinigung definieren, zu entsprechen.
Ein jegliches festes Abfallmaterial, welches auslaugbare TCLP-Bestandteil-Konzentrationen im Überschuss gegenüber jenen Werten, die in dem oben genannten Appendix II aufgelistet sind, enthält, wird in charakteristischer Weise als toxisch und dementsprechend als gefährlich angesehen. Ein solches gefährliches Abfallmaterial muss mit den geeigneten "Best Demonstrated Available Technologies" (BDAT; beste nachgewiesene verfügbare Technologien) und/oder mit einer alternativen Technologie behandelt werden, um das Abfallmaterial hinsichtlich der Schwermetall-Toxizität aus dem charakteristschen Bereich herauszubringen. In anderen Worten ist eine Behandlung des Schwermetalle enthaltenden festen Abfallmaterials mit einer BDAT zur Verringerung des TCLP-Schwermetallgehalts auf eine Konzentration unterhalb des Behandlungsstandards für jenes Metall erforderlich, bevor eine Landdeponierung zugelassen wird. Methoden zur Landdeponierung umfassen eine Abfallsammlung auf einer Landoberfläche, Einbringen von Abfallmaterial in eine Müllgrube unter Verwendung von Oberflächenversiegelungstechniken, eine Stapelung von Abfallmaterialien, eine Entsorgung von Abfallmaterialien in Einlassson den oder Landbehandlungsanlagen (Landbewirtschaftung; "land farming") oder ein Einschließen des Abfallmaterials in Salzstöcken, Salzbettformationen, unterirdischen Minen oder Höhlen und ein Bunkern des Abfallmaterials in Betongewölben. Beispielsweise schließen Landentsorgungs-Restriktionen behandelte Abfallmaterialien mit TCLP-Konzentrationen über 5 mg/l Blei in der Auswaschungs- oder Auslaugungslösung aus, obwohl andere TCLP-Konzentrationen als 5 mg/l für andere Abfallmetalle, die hier in Betracht gezogen werden, akzeptabel sein könnten. Solche in charakteristischer Weise hinsichtlich Schwermetallen toxischen Abfallmaterialien müssen mit einer kosteneffizienten und praktischen Technologie, die kommerziell verfügbar ist und die eine substantielle Behandlung ermöglicht und die in vorteilhafter Weise zu einer Abnahme des Risikos für die Gesundheit der Menschen und die Umwelt führt, behandelt werden.
Aus Bequemlichkeitsgründen wird bei der praktischen Ausführung der Erfindung stets auf Blei Bezug genommen. Es versteht sich jedoch, dass diese Erfindung andere kationische Metalle, wie Barium, Beryllium, Chrom(III), Cobalt, Kupfer, Nickel, Silber und Zink, mit in Betracht zieht und folglich bei der Immobilisierung dieser kationischen Metalle nützlich ist.
Obwohl des weiteren wiederholt auf Erde oder Boden als das bei der praktischen Ausführung der Erfindung entgiftete Medium Bezug genommen wird, versteht es sich, dass verschiedene andere Träger von mobilen kationischen Metallen mit in Betracht gezogen werden. Solche Träger umfassen Baggeraushub oder Baggergut, Asche aus beispielsweise Abfallverbrennungsöfen, Schlacke aus beispielsweise Stahlwerken, Abbruchmaterialien, wie Beton und Ziegelstein, Schlämme, Bohrschlamm und Grobsand aus beispielsweise Sandstrahlvorgängen.
Es sind verschiedene herkömmliche Methoden ausprobiert worden, um auslaugbares, mobiles Blei aus Böden und festen Abfallmaterialien zu entfernen. Jene Methoden umfassen Waschen, Auslaugung und Extrahieren des Bleis. Gemäß der herkömmlichen Praxis wird verunreinigter Boden oder festes Abfallmaterial aus dem Boden für eine Weiterverarbeitung und/oder ein Waschen ausgehoben.
Während des Waschens wird das verunreinigte Material in Wasser oder andere spezifizierte Lösungen eingetaucht oder damit übersättigt, während es bewegt wird. Die Entfernung von Blei aus verunreinigten Böden und festen Abfallmaterialien durch Auslaugungs-, Extraktions- und/oder Waschprozeduren ist extrem teuer und verursacht in vielen Fällen untragbare Kosten, da diese Methode riesige Mengen von hinsichtlich Blei toxischem Abwasser, welches eine weitere Behandlung und Entsorgung erfordert, erzeugt.
Andere Methoden haben jene, die als "Verkapselung" ("encapsulation") klassifiziert werden, umfasst. Der Blei enthaltende Boden wird mit Asphaltmaterialien gemischt und zu einer monolithischen Struktur mit geringer Permeabilität verdichtet. Diese Methode nimmt an, dass der so behandelte Boden niemals gestört oder zu einem körnchenförmigen Material zerkleinert werden wird. Auf diese Weise behandelte Böden bestehen, sind sie einmal für einen TCLP-Test aufgebrochen und granuliert, die Behandlungsstandards nicht.
Weitere herkömmliche Techniken haben die chemische Fixierung von Blei in verunreinigten Böden und festem Abfallmaterial durch Verwendung von anorganischen Reagenzien, wie Zement, Kalk, Silicaten oder Aluminiumsilicaten, umfasst. Diese Materialien erhöhen den pH des Bodens auf 12 oder sogar noch höher und werfen oftmals Fragen über die Langzeitstabilität des Produkts auf. Diese Bedenken basieren teilweise auf der Tatsache, dass die mit diesen anorganischen Reagenzien hergestellten Produkte üblicherweise sehr schlechte Festigkeitseigenschaften aufweisen. Der Grund dafür ist, dass diese Reagenzien für einen Großteil ihrer Festigkeit von der Qualität des Zuschlagmaterials abhängen. Ein guter Zement hängt beispielsweise von einem gut zusammengestellten innerlich übereinstimmenden Zuschlag ab, um Qualitätsspezifizierungen zu erfüllen. Bei einer Verwendung zur Behandlung eines Bodens, welcher oftmals einen signifikanten Prozentsatz von feinen Materialien, wie Silte und Tone, enthält, ist das resultierende Produkt möglicherweise nur für eine Entsorgung gut. Dies bedeutet selbstverständlich, dass das Produkt für eine kommerzielle Verwendung nicht geeignet ist. Die Emulsionen der Er findung beruhen im Gegensatz dazu nicht allein auf den Eigenschaften des Zuschlagmaterials, um ein Qualitätsprodukt herzustellen. Die Asphalt- oder Teer-Grundlage in der Emulsion dieser Erfindung kann einen schlecht zusammengestellten Boden mit einem hohen Prozentsatz von Silten und Tonen zu einem hochqualitativen Straßentragschicht- oder -packlagematerial umwandeln.
In der Vergangenheit sind verschiedene Ansätze des Standes der Technik zur Bodenentgiftung untersucht worden. Beispielsweise betreffen die U.S.-Patente mit den Nr. 5,193,936 und 5,527,982 Verfahren zur Behandlung von Metall enthaltenden Materialien, wie verunreinigter Erde bzw. verunreinigtem Boden, um darin enthaltene auslaugbare Metalle zu stabilisieren. Die Verfahren umfassen die Schritte, ein Metall enthaltendes Material mit einer Mischung, die eine erste Komponente und eine zweite Komponente umfasst, zu mischen, um eine zweite Mischung zu bilden, wobei (1) das Metall enthaltende Material wenigstens ein auslaugbares Metall, ausgewählt aus einer Gruppe, welche Blei umfasst, enthält, (2) die erste Komponente wenigstens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Sulfaten, Halogeniden und Silicaten, zuführt und (3) die zweite Komponente wenigstens ein Phosphation zuführt. Diese Patente diskutieren den EPA-TCLP-Test und zeigen auch die Nützlichkeit von Phosphorsäure und Phosphaten im allgemeinen als Blei-Bindemittel für verunreinigte Erde bzw. verunreinigten Boden.
Das U.S.-Patent Nr. 5,536,899 offenbart ein Verfahren zur Verringerung der Auslaugung von Blei aus einem Blei enthaltenden Abfallmaterial, bestehend im wesentlichen daraus, das Abfallmaterial mit einem wasserlöslichen Phosphat und einem komplexbildenden Mittel, enthaltend Eisen, Aluminium, Chlorid oder Kombinationen davon, in Kontakt zu bringen. Das Verfahren wird unter alkalischen oder neutralen pH-Bedingungen ausgeführt.
Das U.S.-Patent Nr. 4,913,586 offenbart ein Verfahren zur Behandlung von mit Erdöl verunreinigter Erde. Es ist die Verwendung von Huminsäure und Kalk als schützende Mischung von Bedeutung.
Das U.S.-Patent Nr. 4,260,493 lehrt ein Verfahren zur Abfallbehandlung einer verbrauchten Galvanisierlösung, welche Kupfer oder Nickel enthält.
Das U.S.-Patent Nr. 2,003,921 offenbart ein Verfahren zum Wasserdichtmachen und Verfüllen von Hohlräumen im Boden. Dieses Patent offenbart die Verwendung von Emulsionen vom Asphalt-Typ zur Bereitstellung einer wasserdichten Bodenauskleidung.
Das U.S.-Patent Nr. 2,851,824 offenbart Verfahren zur Stabilisierung und Verbesserung von Böden unter Einsatz einer Komponente vom Asphalt-Typ, welche in einem sauren wässrigen Medium dispergiert ist.
Das U.S.-Patent Nr. 5,162,600 lehrt ein Verfahren zur Behandlung von mit Blei verunreinigter Erde, um die Menge von mobilem Blei, welche in der Erde enthalten ist, zu verringern. Das Verfahren umfasst, ein Mittel, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus anorganischen Phosphatverbindungen allein oder als Mischungen, bereitzustellen und das Mittel mit der Erde in Kontakt zu bringen, um das darin enthaltene Blei zu immobilisieren. In Tabelle I wurde auch gezeigt, dass Oxalsäure Blei-bindende Eigenschaften aufweist; sie wurde aber als "too toxic" (zu giftig) für eine Verwendung angesehen.
Das U.S.-Patent Nr. 5,304,703 offenbart ein Verfahren zur Entsorgung von gefährlichen flüchtigen flüssigen organischen Abfallmaterialien.
Das U.S.-Patent Nr. 3,552,130 offenbart ein Verfahren zum Injizieren von Chemikalien in den Hoden, um eine flüssigkeitsundurchlässige Schicht oder Zone zu erzeugen. In einer Ausführungsform wird die flüssigkeitsundurchlässige Zone gebildet, indem Bitumen-Emulsionen in den Boden eingeführt werden.
Das U.S.-Patent Nr. 4,028,897 offenbart eine Bodenstabilisierungszusammensetzung, welche hergestellt wird, indem ein Öl (Mineralöl, naphthenische Öle oder Rohöle waren bevorzugt) mit einem Kautschuklatexmaterial kombiniert wird. Sofern gewünscht, können Bitumen- oder Asphaltmaterialien in die Zusammensetzung mit aufgenommen werden. Das Material wird in Form einer Emulsion, welche ein nicht-ionisches Emulgiermittel umfasst, angewendet.
Das U.S.-Patent Nr. 4,260,493 offenbart ein Verfahren zur Abfallbehandlung von Galvanisierlösungen, wobei eine Ausführungsform die Entfernung der in Lösung enthaltenen nutzbaren Metallanteile und die Inaktivierung oder Zerstörung der Fähigkeit des komplexbildenden Mittels, Schwermetalle zu komplexieren, umfasst.
Die Verfahren, wie sie oben beschrieben worden sind, weisen nach wie vor Mängel in mehrerer Hinsicht auf. Die Fälle, die Emulsionen verwenden, zielen darauf ab, mit Kohlenwasserstoffen verunreinigte Erde zu behandeln und werden mit Blei oder anderen kationischen Metallen verunreinigte Erde nicht so behandeln, dass sie unter den jeweiligen TCLP-Standards liegen. Die anderen Verfahren werden die mit Blei und anderen kationischen Metallen verunreinigten Böden so behandeln, dass sie unter deren jeweiligem TCLP-Standard liegen, sind aber nicht dazu ausgelegt, ein wiederverwertbares Produkt zu erzeugen. Ferner erhöhen viele dieser Verfahren das Volumen des behandelten Materials dramatisch, in einigen Fällen um bis zu 50 Prozent.
Das U.S.-Patent Nr. 5,344,485 offenbart verunreinigte ölhaltige Erde, welche als eine Komponente in einem Asphaltbeton für den Kalteinbau ("cold mix") verwendet wird. Die Erde wird mit Asphaltdach-Abschnitten, welche Fasern und mineralischen Zuschlag enthalten, gemischt. Diese Mischung wird mit einer Kalteinbau ("cold mix")-Emulsion überzogen, um einen Asphaltbeton zu bilden.
Datenbank WPI Section Ch, Woche 197901, Derwent Publications Ltd., London, Großbritannien; Klasse LO2, AN 1979-00744b und JP53132168A (NICHIREKI KAGAKU), 17. November 1978, offenbart ein Verfahren, um die Elution von sechswertigem Cr, welches in der Verbrennungsasche von Klärschlämmen enthalten ist, durch die Zugabe von Kalk und einer Bitumen-Emulsion zu verhindern.
Was nach wie vor benötigt wird, ist dementsprechend ein Verfahren, das so angepasst werden kann, dass es verschiedenen Bodenzuständen entspricht, das auslaugbare Blei und andere kationische Metalle bis zu TCLP-Standards behandeln kann, ein wiederverwertbares Erdprodukt erzeugen kann, das an Ort und Stelle zurückgelassen oder sonstwo als Material für die obere Tragschicht, speziell entwickeltes Füll- oder Zuschlagsmaterial verwendet werden kann und das Volumen des behandelten Materials nicht um übermäßige Mengen erhöht.
Diese Erfindung betrifft die Entgiftung und Erzeugung eines wiederverwertbaren Produkts durch Behandlung von mit kationischen Metallen verunreinigter Erde oder mit kationischen Metallen verunreinigten festen Abfallmaterialien. Dies wird bewerkstelligt, indem die Erde oder das feste Abfallmaterial mit einem Emulsionssystem gemischt wird, welches die Abfallteilchen überzieht und einen dünnen Film aus Rückstand auf diese aufbringt. Der Rückstand ist organisch (Asphalt- und/oder Tallölpech-Trägermaterial) und enthält ein chelat- oder komplexbildendes Mittel oder ein Fällungsmittel. Auf diese wird im Folgenden als "Mittel" oder "komplexbildende" Mittel Bezug genommen. Das Mittel wird basierend auf dem in der Erde oder dem festen Abfallmaterial enthaltenen Metall ausgewählt. Mittel können einzeln oder in Kombination verwendet werden. Die Rolle der Emulsion besteht darin, das Mittel zu dem Erd- oder Abfallmaterialteilchen in einer wässrigen Umgebung zu tragen, die Oberfläche des Teilchens effizient zu überziehen, wobei das Mittel verteilt wird, und der verdichteten Erdmischung Adhäsion, Kohäsion und Wasserbeständigkeit zu verleihen. Das organische Trägermaterial spielt auch eine synergistische Rolle mit dem ausgewählten Mittel bei der Immobilisierung des Metalls. Dies ist teilweise auf die Säuren zurückzuführen, die in dem Asphalt oder Tallölpech enthalten sind.
Die Emulsion trägt, wie oben diskutiert, das ausgewählte Mittel und verteilt es auf dem Erdteilchen. Basierend auf der Art des Metalls, der Konzentration, dem Erd- oder Bodentyp und -zustand und auf der beabsichtigten Verwendung für das Produkt können unterschiedliche Arten von Säuren ausgewählt werden. Basierend auf der ausgewählten Säure ist das Immobilisierungsverfahren unterschiedlich. Der Mechanismus kann eine Chelatbildung oder die Bildung einer unlöslichen Metallform, eine Kombination davon sein oder sogar noch komplexer sein, abhängig von der beteiligten organischen Base zusammen mit der Bodenchemie. Nachfolgend werden die verschiedenen Technologien, die an dieser neuen Erfindung beteiligt sind, diskutiert.
Der Hauptgegenstand dieser Erfindung besteht darin, Erde oder Boden zu behandeln, um ein gefährliches Abfallmaterial nicht-gefährlich und für eine Entsorgung geeignet zu machen. Wie nachfolgend festgehalten, wird als eine bevorzugte Ausführungsform in Betracht gezogen, dass in bestimmten Fällen die behandelte Erde verwendet werden kann, um ein wiederverwertbares Produkt zu erzeugen, das bestimmte physikalische Eigenschaften aufweisen kann, welche dieses beispielsweise als ein speziell entwickeltes Füllmaterial oder als eine obere Tragschicht nützlich machen. Wie zuvor angemerkt, liefern bei der Bestimmung, ob Erde oder Boden adäquat entgiftet worden ist, indem Schwermetalle darin gebunden worden sind, gegenwärtige Bestimmungen Leitlinien. Speziell stellt 40 CFR Sec. 261 ein Verfahren bereit, um eine anerkannte, Toxizität charakterisierende Auslaugungsprozedur ("toxicity characteristic leaching procedure"; TCLP) auszuführen, die ausgelegt ist, um die Mobilität von sowohl organischen als auch anorganischen Analyten, welche in einem flüssigen, festen oder in einer Mehrzahl von Phasen vorliegenden Abfallmaterial vorhanden sind, zu bestimmen.
Ein anderer Gegenstand der Erfindung besteht darin, ein wiederverwertbares Produkt zu erzeugen, welches in verschiedenen Prozentsätzen mit kommerziellem Zuschlagsmaterial gemischt werden kann. Das wiederverwertbare Produkt oder der "synthetische Zuschlag" würde zu einer Komponente der endgültigen Zuschlagsmischung werden. Mit Emulgiermitteln, die Aminsalze in Gegenwart von Calciumhydroxid bilden, formulierte Emulsionen liefern einen Asphaltfilm, der chemisch auf das Erdteilchen aufgezogen ist. Dieser chemisch gebundene Asphaltfilm bildet einen harten, dauerhaften Überzug um das Erdteilchen herum, welcher mechanischem/r oder durch Feuchtigkeit induziertem/r Abrieb oder Abnut zung widerstehen wird, was für eine Verwendung als ein Zuschlagsmaterial benötigt wird. Das chelatbildende oder komplexbildende Mittel würde in die Emulsion eingebracht werden, um das kationische Metall unter TCLP-Standards zu immobilisieren.
Die Erfindung wird jetzt allein beispielhaft beschrieben.
Die Verwendung von Asphalt zur Verkapselung von Verunreinigungen in einer Erd- oder Bodenmatrix ist auf diesem Gebiet wohlbekannt und ist im Wortlaut von Bestimmungen, welche beispielsweise durch den Staat Kalifornien und die Bundesregierung verkündet worden sind, aufgeführt worden. Die Verbesserung dieser Erfindung besteht darin, dass die gegenwärtig eingesetzte Technologie erweitert worden ist, so dass sie TOP-Emulsionen und einen chemischen Mechanismus zur Immobilisierung von Metallen mit umfasst. Diese Reaktion tritt auf, wenn die geeigneten chelatbildenden oder komplexbildenden Mittel oder Fällungsmittel in die Emulsion aufgenommen werden, um mit Schwermetallen zu reagieren, um unter günstigen Bedingungen die immobilisierten Spezies, wie Bleiphosphat im Falle von Blei, zu bilden.
Die in dieser Erfindung offenbarten Asphalt- und Tallölpech-Emulsionen können auf zwei Weisen verwendet werden, um Probleme, welche gefährliche Abfallmaterialien, wie verunreinigte Böden, umfassen, zu lösen. Ein Ansatz besteht darin, die Emulsionen als eine Behandlungstechnik zu verwenden. Das Ziel des Behandlungsansatzes besteht darin, ein gefährliches Abfallmaterial nicht-gefährlich und für eine Entsorgung geeignet zu machen. In diesem Falle beruhen die Kriterien, die den Erfolg des Behandlungsverfahrens steuern, auf der Mobilität der Verunreinigung in dem behandelten Produkt. Mobilität wird gemessen, indem das Produkt aus dem Behandlungsverfahren einem oder mehreren Auslaugungstests unterworfen wird. Der am weitesten verwendete derartige Test ist die "Toxic Characteristic Leaching Procedure" (TCLP) der EPA, bei welcher Essigsäurelösung verwendet wird und die Menge von Verunreinigung, die aus dem behandelten Produkt in die Essigsäure auslaugt, gemessen wird. Wenn die Menge von Verunreinigung, welche in der Essigsäure gefunden wird, unter einer als "Land Disposal Restriction (LDR) Treatment Standard" bezeichne ten Konzentration, welche von der EPA ermittelt wurde, liegt, kann das behandelte Produkt in einer zugelassenen Müllgrube entsorgt werden.
Der zweite Ansatz besteht darin, die vorliegenden Emulsionen zu verwenden, um ein wiederverwertbares Produkt zu erzeugen. D. h., durch die Verwendung der Emulsion wird die Verunreinigung in dem Abfallmaterial durch chemische Bindung immobilisiert, während das Material gleichzeitig verbesserte physikalische Eigenschaften aufweist, welche dieses zu einem nützlichen Produkt machen.
Die in dieser Erfindung diskutierten organischen Emulsionen sind nicht auf die Eigenschaften des Zuschlags angewiesen, um ein Qualitätsprodukt herzustellen. Der Asphalt oder das Pech in der Emulsion kann eine schlecht zusammengestellte Erde mit einem hohen Prozentsatz von Silten und Tonen in ein hochqualitatives Material für obere Tragschichten, welches als "Emulsion Treated Base" (ETB) bezeichnet wird, umwandeln. Die Erfindung kann jedoch verwendet werden, um ein wiederverwertbares Produkt herzustellen, das in verschiedenen Prozentsätzen mit kommerziellem Zuschlagsmaterial gemischt werden kann. Das wiederverwertbare Produkt oder der "synthetische Zuschlag" würde eine Komponente der endgültigen Zuschlagsmischung werden. Mit Emulgiermitteln, die in Gegenwart von Calciumhydroxid Aminsalze bilden, formulierte Emulsionen liefern einen Asphaltfilm, der chemisch auf das Erdteilchen aufgezogen ist. Dieser chemisch gebundene Asphaltfilm bildet einen harten, dauerhaften Überzug um das Erdteilchen herum, der mechanischem/r oder durch Feuchtigkeit induziertem/r Abrieb oder Abnutzung widerstehen wird, was für eine Verwendung als ein Zuschlagsmaterial benötigt wird. Das chelatbildende oder komplexbildende Mittel würde in die Emulsion eingebracht werden, um das kationische Metall unter TCLP-Standards zu immobilisieren. Geeignete Emulgiermittel für eine Verwendung unter solchen Umständen umfassen beispielsweise Talgdiamin, Talgtetraamin, Triamidoamin und Imodazalin.
Emulsionen
Im Allgemeinen werden Emulsionen aus drei essentiellen Bestandteilen gebildet; einer organischen Komponente, welche durch ge ringe Löslichkeit in Wasser gekennzeichnet ist, welche als dispergierte Phase bekannt ist; eine Wasserphase, die üblicherweise 30% oder mehr der endgültigen Mischung ausmacht, welche als kontinuierliche Phase bekannt ist, und ein Emulgiermittel oder grenzflächenaktives Mittel, welches so ausgewählt ist, dass es mit der organischen Komponente und dem zu der Wasserphase hinzugesetzten Wasser funktioniert. Zusätzlich können geringe Mengen Salzsäure oder Natriumhydroxid verwendet werden, um den pH der Lösung aus Wasser und grenzflächenaktivem Mittel einzustellen. Durch Zudosierung beider Phasen bei einer geeigneten Temperatur gleichzeitig durch eine Kolloidmühle wird eine Emulsion gebildet.
Eine Emulsion kann als eine innige Mischung von zwei unmischbaren Flüssigkeiten, von denen eine in der anderen in Form von sehr feinen Tröpfchen dispergiert ist, definiert werden. Wenn die dispergierte Phase, welche üblicherweise als disperse Phase bezeichnet wird, ein Öl ist und die kontinuierliche Phase Wasser ist, dann ist die Emulsion als der Öl-in-Wasser-Typ bekannt. Im Gegensatz dazu ist die Emulsion, wenn Wasser die disperse Phase ist und das Öl die kontinuierliche Phase ist, ein Wasser-in-Öl-Typ. Die Erfindung beschäftigt sich nur mit Öl-in-Wasser-Typen.
Bei der Herstellung der Emulsionen wird die Dispergierung der dispersen Phase nahezu immer durch eine Kolloidmühle oder irgendein anderes mechanisches Mittel, wie einen Mischer oder Homogenisator, bewerkstelligt. Das System ist instabil und die Tröpfchen werden koaleszieren, sofern nicht ein geeignetes Emulgiermittel in dem System anwesend ist.
Ein Emulgiermittel muss spezielle Solubilitätseigenschaften aufweisen; d. h. es muss sowohl mit der Ölphase als auch mit der Wasserphase verträglich sein. Dies ist möglich, wenn das Molekül sowohl polare als auch nicht-polare Abschnitte aufweist. Diese Moleküle sind grenzflächenaktiv (grenzflächenaktive Mittel; Tenside), und wenn sie in ein Öl-Wasser-System eingebracht werden, werden sie dazu neigen, sich in einer sehr speziellen Weise zu orientieren. Der polare Abschnitt mit seiner Affinität für Was ser wird sich in die Wasserphase orientieren. Der nicht-polare Abschnitt wird sich in die Ölphase orientieren.
Emulgiermittel können anionisch (negativ), kationisch (positiv) oder nicht-ionisch (keine Ladung) sein. Dies wird durch den organischen Abschnitt des Moleküls, der der Oberfläche der Tröpfchen der dispersen Phase eine Ladung verleiht, bestimmt. Die Wasserphase, die das geeignet ausgewählte Emulgiermittel enthält, wird auf einen speziellen pH eingestellt, indem geringe Mengen (weniger als 0,5%) Salzsäure oder Natriumhydroxid zugesetzt werden.
Emulsionen werden hergestellt, indem die Ölphase (Asphalt oder Tallölpech) und die Wasserphase, die das Emulgiermittel enthält, gleichzeitig durch eine Kolloidmühle dosiert werden. Die Temperatur der beiden Phasen wird so kontrolliert, dass die Ölphase ausreichend fluid ist, um innerhalb der Kolloidmühle Tröpfchen zu bilden. Die Temperatur der Wasserphase ist so, dass die Ausstoßtemperatur der Emulsion unter dem Siedepunkt liegt, aber heiß genug ist, dass die Emulsion sich nach der Herstellung nicht destabilisieren wird.
Die disperse Phase der meisten Emulsionen macht 50 bis 70 Prozent aus. Der pH der endgültigen Emulsion kann 2 bis 12 betragen. Üblicherweise werden die pH-Werte einer kationischen Emulsion unter 5 liegen, von anionischen Emulsionen über 7 liegen und von nicht-ionischen Emulsionen neutral sein.
Für die Zwecke dieser Erfindung wird die bevorzugte organische Trägermaterial-Komponente entweder Asphalt oder Tallölpech (TOP) sein. Es ist auch entdeckt worden, dass die Zugabe von bestimmten chelatbildenden Mitteln in geeigneten Konzentration bis zu 6% für Oxalsäure oder 12% für Phosphorsäure zu diesen Asphalt- oder TOP-Emulsionen deren Fähigkeit, bestimmte Umweltverunreinigungen zu immobilisieren, signifikant erhöhen kan. Beispielsweise kann das Einbringen einer ausgewählten Carbonsäure, von welcher bekannt ist, dass sie eine hohe Stabilitätskonstante mit einem Metall, wie Blei, aufweist, in die Formulierung der Emulsion die Fähigkeit der Emulsion, jenes Metall durch Chelatbil dung zu immobilisieren, wenn die Emulsion auf einen mit dem Metall verunreinigten Boden ausgebracht wird, verbessern.
Die Umweltaspekte dieser Erfindung wurden ersichtlich, als beobachtet wurde, dass ein verunreinigter Boden eine signifikante Verringerung der Mobilität der Verunreinigung zeigte, wenn er mit einer dieser Emulsionen behandelt wurde. Beispielsweise wies eine Erde, die mit Bleisulfat in einer Konzentration von ungefähr 2000 mg/kg Blei versetzt war, einen Gehalt an löslichem Blei, anhand von TCLP, von ungefähr 40 mg/l auf. Wenn diese mit 12% einer auf Asphalt, Tallölöech oder einer Kombination von diesen beiden basierenden Emulsion behandelt wurde, wurde das lösliche Blei anhand des gleichen Tests auf ungefähr 25 mg/l verringert. Die Immobilisierung eines Teils des Bleis durch diese Behandlung kann erklärt werden, indem die physikalischchemische Zusammensetzung von Asphalt und Pech in Betracht gezogen wird. Es wird beispielsweise allgemein angenommen, dass Asphalte kolloidale System sind, welche aus Asphalten-Mizellen in einem ölartigen Medium gebildet werden. Diese Mizellen können durch die Wirkung von Kohlenwasserstoffharzen, die Harzsäuren und deren Ester und Harzalkohole enthalten, peptisiert werden unter Bildung von Agglomeraten von molekularem Maßstab. Die Agglomerate oder Mizellen von polaren Asphaltmolekülen können Komplexe und Säuren sequestrieren. Carbonsäuregruppen wie auch andere polare funktionale Gruppen, wie Phenole, Ketone und Sulfoxide, werden sich an der Grenzfläche der Mizellen und des ölartigen Mediums auf konzentrieren. Diese polaren Mizellen können in diesem Modell als Depots für Kombinationen aus verunreinigendem Metall und funktionellen Carbonsäuregruppen wirken. "Tallöl" umfasst synthetisch hergestelltes und natürlich vorkommendes Tallöl, Tallölpech, Tallölmischungen und ähnliche Tallölprodukte. Tallöl ist das flüssige harzartige Material, welches bei der Kochung von Zellstoff aus der Papierherstellung erhalten wird. Kommerzielle Tallöle umfassen eine komplexe Mischung von Fettsäuren, Harzsäuren, Sterolen, höheren Alkoholen, Wachsen und Kohlenwasserstoffen. Die sauren Komponenten können auch als Erste derselben vorliegen.
Chelatbildung
Eine wichtige Entdeckung dieser Erfindung ist, dass die Zugabe einer Carbonsäure mit einer hohen Affinität für ein verunreinigendes Metall zu der Asphalt- oder Pechemulsion deren Fähigkeit, das Metall zu immobilisieren, signifikant verbessern kann. Das zuvor beschriebene Modell von Mizellen kann erweitert werden, so dass es diese die Carbonsäure mit umfasst, wobei deren Kohlenwasserstoff-Ende durch die organische Struktur des Asphalts oder des Pechs festgehalten wird, während die funktionelle Gruppe ein Chelat mit dem Metall bildet. Damit die Chelatbildung erfolgreich ist, ist es wichtig, dass der pH der Kombination aus der Emulsion und dem festen Abfallmaterial über dem pK der verwendeten Säure liegt. D. h., wenn der pH niedriger als der pK der Säure ist, wird diese in der protonierten Form vorliegen und nicht in der Lage sein, mit dem Metall ein Chelat zu bilden.
Zusätzlich zu dem pK der Carbonsäure ist die andere wichtige Eigenschaft der Säure deren Stabilitätskonstante hinsichtlich des Metalls, auf welches bei der in Betracht gezogenen Anwendung abgezielt wird. Die Stabilitätskonstante ist der quantitative Ausdruck der "hohen Affinität" für das Metall, auf welches abgezielt wird. Gemäß diesem Modell ist es wichtig, um ein Produkt mit einem geringen Ausmaß an Mobilität der Verunreinigung, wie durch einen speziellen Test ausgedrückt, zu erzeugen, eine Säure mit einer höheren Stabilitätskonstante als derjenigen, die in dem Test verwendet wird, zu verwenden. Da der TCLP-Test Essigsäure verwendet, lehrt diese Erfindung, dass eine Oxalsäure enthaltende Emulsion Blei und andere kationische Metalle immobilisieren kann. Dies ist so, da Oxalsäure eine höhere Stabilitätskonstante hinsichtlich Blei aufweist als Essigsäure. Testergebnisse an mit Bleisulfat versetzter Erde haben gezeigt, dass dies eine genaue Vorhersage des Modells ist.
Eine andere wichtige Entdeckung dieser Erfindung ist, dass anorganische Säuren, wie Phosphorsäure, in der Emulsion aufkonzentriert werden können und synergistische Wirkungen mit der organischen Base der Emulsion ausüben. Die organische Base weist eine hohe Affinität für die Metallverunreinigung und Erde auf. Wenn sie in der geeigneten pH-Umgebung vorliegt, weist die Phosphor säure eine Affinität für das Metall auf. Phosphorsäure hat einen pK von 2,1, 7,2 und 12,4. Indem man die Emulsion derart einstellt, dass die resultierende Emulsion/Erde-Mischung einen pH oberhalb des pK der Phosphorsäure hat, werden die Säure und das Metall eine Affinität füreinander haben. Unter diesen Bedingungen wird die Phosphorsäure, wenn die Verunreinigung Blei ist, stabile Formen von Bleiphosphat, einer sehr unlöslichen Form von Blei, bilden. Die organische Trägermaterial-Emulsion wird einen Träger für die Phosphorsäure bereitstellen, wodurch ermöglicht wird, dass dünne Filme aus organischem Trägermaterial und Säure die Erdteilchen überziehen. Dies führt zu sehr geringen Konzentrationen von Phosphorsäure, welche benötigt werden, um die TCLP-Erfordernisse zu erfüllen.
Die Erfindung ist als eine bevorzugte Ausführungsform so gestaltet, dass eine entgiftete Erde, welche physikalische Eigenschaften aufweist, welche diese nützlich machen, erzeugt wird. Gemäß 40 CFR § 266.20 (b) ist ein Abfallmaterial, das wiederverwertet und auf eine Weise, welche eine Entsorgung darstellt, verwendet wird, von der RCRA-Regulierung befreit, wenn das resultierende Produkt für die Verwendung durch die allgemeine Öffentlichkeit hergestellt wird und es wiederverwertbare Materialien enthält, die einer chemischen Reaktion unterzogen worden sind, so dass sie durch physikalische Mittel oder Maßnahmen untrennbar geworden sind, und wenn das Produkt die LDR-Behandlungsstandards erfüllt. Wieder als eine bevorzugte Ausführungsform soll das resultierende Produkt die strukturellen Spezifikationen für körnchenförmige und Asphalt-Materialien für obere Tragschichten erfüllen.
Aufgrund der relativ geringen Kapitalinvestitionen für Mischanlagen ist emulgierter Asphalt ("cold mix") verwendet worden, um mit Erdöl und Blei belastete Böden zu verwertbaren Baumaterialien zu behandeln und wiederzuverwerten. Abhängig von den Erfordernissen und der Baustellenentwicklung und den Bauzeitplänen können die behandelten Böden wiederverwertet werden als 1) allgemeines Füllmaterial; 2) Hinterfüllung für Gräben; 3) nicht-teures Füllmaterial unter Betonplatten ("concrete slab-on")-Qualität; 4) festgestampfte Böden für Hausbauten; 5) Bauhinterfüllungsmaterial hinter Brückenwiderlagern oder Stützmauern; 6) granuläres Unterschicht-, obere Tragschicht- (Packlage-) und Emulsions-behandeltes Packlagen-Material für den Straßenbau; 7) Abdeckungsmaterialien für Müllgruben oder Landauffüllungen; und 8) Abdeckungsmaterial für die Erosionskontrolle bei Erdaufschüttungen an Straßen (Straßendämmen). Der Erfolg eines solchen Emulsionsbehandlungsprogramms hängt von dem Verunreinigungszurückhaltungsvermögen, der Verarbeitbarkeit, der Rate der Festigkeitsentwicklung, der Feuchtigkeitsanfälligkeit und der Permeabilität der behandelten Böden ab.
Es wurde eine Reihe von Tests im Labormaßstab unternommen, um die Festigkeitseigenschaften von mit Emulsion behandelten Böden für den Straßenbau zu untersuchen. Da die behandelten Böden als eine mit Bitumen behandelte Packlage verwendet werden können, wurde der Marshall-Test ausgewählt, um die Zugfestigkeitseigenschaften der behandelten Erde auszuwerten. Wenn die Endverwendung der behandelten Böden eine gekörnte Packlage oder untere Tragschicht ist, sollten die Druckfestigkeitseigenschaften der behandelten Böden unter Verwendung entweder des "Resistance" (Resistenz; R) -Wert-, CBR- oder des einaxiale Druckfestigkeits-Tests untersucht werden. Ein Siltsandboden, welcher aus einem lokalen Steinbruch erhalten worden ist, wurde mit verschiedenen Prozentsätzen von Emulsion und Kalk behandelt. Aus der behandelten Erde wurden Probestücke gemäß der Prozedur des Marshall-Tests (ASTM D1559) hergestellt. Nach Härtung unter zwei Bedingungen, "early cure" (kurze Zeit gehärtet) und "fully cured and water immersed" (vollständig gehärtet und in Wasser eingetaucht), wurden die Probestücke auf Stabilität und Fließvermögen bei Raumtemperatur (ungefähr 68 bis 70°F) untersucht. Um die Vorteile der Behandlung und Wiederverwertung von belasteten Böden für den Straßenbau zu demonstrieren, wurden einfache Pflasterkonstruktionen realisiert zusammen mit geschätzten potentiellen Kosteneinsparungen.
Der verwendete Boden wurde aus einem Steinbruch in Milpitas, Kalifornien, entnommen. Um den Boden zu charakterisieren, wurden grundlegende geotechnische Untersuchungen, wie Bestimmung der "Atterberg Limits", Siebanalyse, Hydrometer, Dichte, Verdichtung und Sandäquivalent, ausgeführt. Die Testergebnisse sind nachfolgend zusammengefasst:
Hydrometer-Analyse (ASTM D-422)
Basierend auf den Ergebnissen der grundlegenden geotechnischen Untersuchungen wird die Curtner-Erde, wie folgt, klassifiziert:
Die hier verwendete Emulsion (EB001-AC6) besteht aus 50% Asphalt, 47,7% Wasser, 2% Emulgiermittel und Säure. Der Kalk für diese Untersuchung wurde gemäß ASTM-Spezifikationen in Hinblick auf Kalk für eine Verwendung zur Bodenstabilisierung (ASTM C-977) ausgewählt und es wurde ein pulverförmiger Kalk verwendet.
Die Festigkeitseigenschaften der mit Emulsion behandelten Erde stehen in enger Beziehung zu der Dichte der verdichteten Probestücke. Es war dementsprechend erforderlich, den Wassergehalt bei der Verdichtung zu optimieren, um die Festigkeit der behandelten Erde zu maximieren. Dies erfolgte für jeden Kalkgehalt (2, 4 oder 6 Prozent).
Es wurden die Marshall-Verdichtungsform, der Marshall-Verdichtungspiedestal und die Marshall-Prozedur verwendet, um den optimalen Wassergehalt der mit verschiedenen Kalkanteilen (2, 4 und 6 Prozent) gemischten Erde zu bestimmen. Die Erde wurde mit dem speziellen Prozentsatz von Kalk und 8% Emulsion (willkürlich ausgewählt) mit der Hand gemischt. Basierend auf dem visuellen Erscheinungsbild der Mischung wurde zusätzliches Wasser vor der Verdichtung zugesetzt, um sicherzustellen, dass der optimale Wassergehalt erfasst wurde. Nach Mischen und Feuchtigkeitskonditionierung wurde die Erde in eine Marshall-Form von 4 Zoll Durchmesser durch Ausüben von 50 Schlägen auf beide Seiten des Formlings verdichtet. Es wurde die Dichte und der Wassergehalt jedes Formlings bestimmt. Es wurde geschlossen, dass der Kalkgehalt eine sehr geringe Auswirkung auf die maximale Trockendichte und den optimalen Wassergehalt der Erde zu haben scheint. Die Testergebnisse zeigen, dass der behandelte Curtner-Siltsand eine maximale Trockendichte von 109,5 pcf und einen optimalen Wassergehalt von 13% aufweist.
Um die Festigkeitseigenschaften der behandelten Erde auszuwerten, wurden verschiedene Anteile von Emulsion (0, 8, 12 und 16%) und Kalk (0, 2, 4 und 6%) in den Curtner-Siltsand eingearbeitet. Die Formlinge aus der mittels Emulsion behandelten Erde wurden bei etwa dem optimalen Wassergehalt hergestellt, um deren höchste Festigkeit zu erfassen. Basierend auf dem optimalen Wassergehalt und dem zuzusetzenden Prozentsatz von Emulsion wurden die Wassergehalte der unbehandelten Erde vor dem Mischen berechnet. Die unbehandelte Erde wurde zuerst mit Feuchtigkeit bis zu dem Wassergehalt vor dem Mischen konditioniert. Dann wurden Emulsion und/oder Kalk mit der Hand unter Verwendung einer Edelstahlschale und eines Mischlöffels in die Böden eingemischt. Bei einer Verwendung in Verbindung mit Emulsion wurde der Kalk dem Boden vor der Zugabe der Emulsion hinzugesetzt und mit diesem gemischt. Um das Zusammenballen und Aufsteigen ("balling-up") zu verringern und eine relativ gleichförmige Mischung zu erzielen, wurde Emulsion der Erde oder der Erde-Kalk-Mischung in Anteilen zugesetzt und in diese eingemischt. Der Mischprozess dauerte an, bis eine visuell relativ gleichförmige Mischung erzielt worden war. Es dauerte im allgemeinen ungefähr 2 bis 3 Minuten, um eine 4000 Gramm-Mischung fertigzustellen. Basierend auf visuellen Beobachtungen förderte die Anwesenheit von Kalk ein gleichmäßigeres Mischen und verbesserte die Verarbeitbarkeit der Mischung. Nach dem Mischen wurden die Wassergehalte der behandelten Böden schnell überprüft und, sofern erforderlich, wurde zusätzliches Wasser zugesetzt, um den Wassergehalt der behandelten Erde vor der Verdichtung auf den optimalen Feuchtigkeitsgehalt zu bringen.
Nach dem Mischen mit der angegebenen Menge Kalk, Emulsion und Wasser wurde die behandelte Erde gewogen und in Marshall-Formen mit 4 Zoll Durchmesser verdichtet, wobei allgemein der in ASTM D-1559 enthaltenen Prozedur gefolgt wurde mit Ausnahme der Temperaturerfordernisse. Die Proben wurden bei Raumtemperatur übereinstimmend mit einer "kalten" Emulsionsbehandlung gemischt. Die gesamte Herstellung der Formlinge wurde bei Raumtemperatur ausgeführt und es wurden 50 Schläge auf beide Seiten der Formlinge ausgeübt.
Die Formlinge wurden vor der Untersuchung unter den folgenden zwei Bedingungen gehärtet:

1. "Early Cured" (kurze Zeit gehärtet) – Proben wurden in der Form in einer horizontalen Position 24 h bei Raumtemperatur (68 bis 70°F) gehärtet; oder
2. "Fully Cured and Water Immersed" (vollständig gehärtet und in Wasser eingetaucht) – Proben wurden in der Form in einer horizontalen Position 24 h bei Raumtemperatur und außerhalb der Form in einem 100°F-Ofen weitere 24 h gehärtet. Nach dem Härten wurden die Proben unter einem Vakuum von 100 mm Hg eine Stunde in Wasser eingetaucht, gefolgt von einer Stunde eines Quellens in Wasser ohne Vakuum.

Der "early cured"-Zustand ist angelegt, um die Festigkeit der behandelten Böden nach kurzer Zeit zu untersuchen, die ein Hauptfaktor ist hinsichtlich 1) des Bauzeitplans; 2) der Auswahl von geeigneter Bauausrüstung; und 3) der Fähigkeit, die spezifizierten Toleranzen zu realisieren.
Der "fully cured and water immersed"-Zustand wird die Langzeitfestigkeit der behandelten Böden "bei schlechtestem Gießen" ("worst cast") für die Pflastergestaltung liefern. Das zweistündige Eintauchen in Wasser simuliert schlechte bis gute Drainagebedingungen.
Abhängig von den Klima- und Grundwasserbedingungen des Projektorts können die Aushärtungsbedingungen modifiziert werden, um die antizipierten Bedingungen vor Ort nachzuahmen.
Marshall-Tests an den Formlingen aus behandelter Erde wurden gemäß den Prozeduren, mit Ausnahme des Temperaturerfordernisses, welche in ASTM D-1559 enthalten sind, ausgeführt. Alle Marshall-Tests wurden bei Raumtemperatur (68 bis 70°F) unter Verwendung eines DigiTrac-Stability-Apparats von Gilson ausgeführt.
Bei der Durchsicht der Daten wurden die folgenden Charakteristiken beobachtet:

1. Der mit Emulsion und Kalk behandelte Curtner-Siltsand wies "early cured"-Stabilitäten von ungefähr 1600 bis 2800 Pound auf.
2. Die "early cured"-Stabilitäten des nur mit Emulsion behandelten Curtner-Siltsands nehmen mit der Zunahme des Emulsionsgehalts ab.
3. Das Zusetzen von Kalk erhöhte die "early cured"-Stabilitäten des mit Emulsion behandelten Curtner-Siltsands beträchtlich.
4. Unter "early cured"-Bedingungen wurde kein optimaler Emulsionsgehalt beobachtet.
5. Der mit Emulsion und Kalk behandelte Curtner-Siltsand wies "fully cured and water immersed" Stabilitäten von ungefähr 1800 bis 2400 Pound auf.
6. Das Zusetzen von Kalk erhöhte die "fully cured and water immersed"-Stabilitäten des mit der Emulsion behandelten Curtner-Siltsands beträchtlich.
7. Unter "fully cured and water immersed"-Bedingungen wurde ein optimaler Emulsionsgehalt von 8% beobachtet.

Der Erfolg der Wiederverwertung von mit Emulsion behandelten verunreinigten Böden als Straßenbaumaterialien hängt von deren Kurzzeit ("early cured") und Langzeit ("fully cured")-Festigkeiten, Verarbeitbarkeit und Feuchtigkeitsanfälligkeit ("water immersed"-Festigkeit; "Festigkeit nach Eintauchen in Wasser") der behandelten Böden, die in enger Beziehung zu den optimalen Emulsions- und Kalkgehalten stehen, ab. Basierend auf den "fully cured and water immersed"-Stabilitäten kann für den Curtner-Siltsand klar ein optimaler Emulsionsgehalt von ungefähr 8% festgestellt werden. Bei 8% Emulsion scheint der optimale Kalkgehalt ausgehend von jenen, die für Curtner-Siltsand getestet wurden, 6% zu sein. Schließlich sollte die "early cured"-Stabilität der optimal behandelten Erde überprüft werden, um sicherzustellen, dass die behandelte Erde fest genug ist, um die Planierung und Verdichtung der darüberliegenden Materialien, wie mit Asphalt behandelten permeablen Materialien und Asphaltbeton, und den antizipierten Bauverkehr zu ertragen. Die "early cured"- und "fully cured and water immersed"-Stabilitäten des optimal behandelten Curtner-Siltsands sind, wie folgt:
Wie oben gezeigt, betragen die "early cured" und "fully cured and water immersed"-Stabilitäten des Curtner-Siltsands mehr als 2400 Pound, welche mit den Stabilitäten von herkömmlichen, mit Bitumen behandelten Packlagen vergleichbar sind.
Um den finanziellen Nutzen einer Wiederverwertung der mit Emulsion und Kalk behandelten Böden als Straßenbaumaterialien zu demonstrieren, wurde ein einfaches Pfaster für eine zweispurige Straße mit erwarteten 18 Kilopound-"Equivalent Single Axle Loads" (äquivalenten Einachsbelastungen) von 16 × 10⁴ (äquivalenter Verkehrsindex von 9,5), einem effektiven Unterbau- oder Bettungsboden-Rückprallelastizitätsmodul ("roadbed soil effective resilient modulus") von 5000 psi und guten Drainagebedingungen entworfen. Unter Verwendung der AASHTO-Gestaltungsprozedur wurde der Pflasterabschnitt so berechnet, dass er aus 8 Zoll Asphaltbeton über 16 Zoll körnchenförmiger Packlage bestand.
Basierend auf einer Stabilität von 1800 psi und der Strukturkoeffizient-Marshall-Stabilitäts-Beziehung für mit Bitumen behandelte Packlagen, enthalten in dem AASHTO-Führer für die Gestaltung von Pflasterstrukturen, wurde für den mit Emulsion und Kalk behandelten Curtner-Siltsand konservativ ein Strukturkoeffizient von 0,32 abgeschätzt. Unter Verwendung des abgeschätzten Strukturkoeffizienten von 0,32 liegt es nahe, dass das Pflaster aus 8 Zoll Asphaltbeton über 16 Zoll körnchenförmiger Packlage durch 7 Zoll Asphaltbeton über 9 Zoll mit Emulsion und Kalk behandeltem Curtner-Siltsand ersetzt werden kann. Die resultierenden Einsparungen hinsichtlich der Materialkosten können bis zu $ 96.000 pro Meile zweispuriger Straße betragen (basierend auf den Kosten für die körnchenförmige Packlage von $ 12 pro Kubikyard und den Kosten für Asphaltbeton von $ 45 pro Kubikyard).
Wie durch die oben diskutierten Testergebnisse gezeigt wird, können verunreinigte Böden, wie der Curtner-Siltsand, die mit optimalen Mengen von Emulsion und Kalk behandelt worden sind, zu herkömmlichen Straßenbaumaterialien wiederverwertet werden. Die Verwendung von Kalk erhöht die Kurzzeit- und Langzeitzugfestigkeit, fördert ein gleichmäßiges Mischen und verbessert die Verarbeitbarkeit des mit Emulsion behandelten Curtner-Siltsands. Dies sind wahrscheinlich die Ergebnisse dessen, dass der Kalk mit den Tonen in dem Curtner-Siltsand reagiert.
Für die Planierung und Verdichtung von mit Emulsion und Kalk behandelten Böden ist keine spezielle Ausrüstung bzw. keine speziell ausgebildeten Arbeiter erforderlich. Örtliche Straßenbauarbeiter können herkömmliche Straßenbaugerätschaften verwenden, um mit Emulsion und Kalk behandelte Böden zu planieren und zu verdichten. Aufgrund der hohen "early cured"-Festigkeit des mit Emulsion und Kalk behandelten Curtner-Siltsands kann Asphaltbeton unmittelbar nach der Verdichtung der behandelten Erde aufgebracht werden. Bei geeigneter Testung, Auswahl der Emulsions- und Kalkgehalte, Mischung, Planierung, Verdichtung und Qualitätskontrolle während des Baus kann mit Emulsion und Kalk behandelter Siltsand andere Packlagenmaterialien, wie unbehandelte körnchenförmige Packlage, untere Tragschicht, mit Zement behandelte oder mit Bitumen behandelte Packlage für den Straßenbau, ersetzen. Die resultierenden Einsparungen hinsichtlich der Materialkosten können substantiell sein.
Die oben erwähnten Bodenbehandlungsuntersuchungen wurden wie folgt, tabellarisch aufgelistet:
Bei der Herstellung von Emulsionen gemäß der Erfindung wird eine stark saure wässrige Emulgiermittellösung hergestellt und dann mit der Tallöl- oder Asphaltkomponente gemischt, um die fertiggestellte Emulsion herzustellen. Eine bevorzugte Zusammensetzung für die Emulgiermittellösung besteht aus ungefähr 4% Emulgiermittel, 84% Wasser und 12% Oxalsäure oder 4% Emulgiermittel, 72% Wasser und 24% Phosphorsäure. Es ist bevorzugt, dass hier nur organische Säuren verwendet werden, wie Stearinsäure, Oxalsäure und Huminsäure, oder eine anorganische Säure, wie Phosphorsäure. Bevorzugte Emulgiermittel sind ein Nonylphenol mit Ethylenoxid oder Ligninamin. Es können auch andere Emulgiermittel verwendet werden. Es ist erwünscht, dass die bevorzugte Emulgiermittellösung, ist sie einmal hergestellt, stark sauer, im Bereich von ungefähr pH 1,0, ist. Dementsprechend kann der Anteil von Wasser und Säure in der Lösung angepasst werden, wie benötigt wird, um eine Emulgiermittellösung in diesem stark sauren Bereich zu erhalten.
Die erwärmte Emulgiermittellösung und Tallöl oder Asphalt werden dann in einem Homogenisator oder einer Kolloidmühle gemischt, um die fertiggestellte Emulsion zu bilden. Die Mischungsrate wird so ausgewählt, dass verhindert wird, dass ein Mitreißen von Luft oder ein Schäumen auftritt. Das Verhältnis der Emulgiermittellösung zu Tallöl oder Asphalt ist vorzugsweise so, dass die Emulsion zu ungefähr 50% aus Tallöl und zu 50% aus Emulgiermittellösung besteht; akzeptable Bereiche reichen jedoch von ungefähr 40% bis 60% Tallöl oder Asphalt, wobei der Rest aus Emulgiermittellösung besteht. Die fertiggestellte Emulsion hat vorzugsweise einen pH von ungefähr 2,0 bis ungefähr 5,0. Idealerweise wird in Betracht gezogen, dass die Erfindung aus ungefähr 40–50% (Gew.) Trägermaterial (TOP oder Asphalt), 6–12% organischer Säure, 40–50% Wasser und ungefähr 2% Emulgiermittel gebildet wird. Es wird im allgemeinen gemessen, dass der pH einer solchen Emulsion ungefähr 2–5 beträgt, bevor sie mit der Erde gemischt wird, und ungefähr 3–12 beträgt, nachdem die Emulsion zu der Erde hinzugesetzt worden ist. Der pH wird im allgemeinen ansteigen, wenn ein Puzzolanerdematerial, wie Kalk, ebenfalls optional zu der Erde hinzugesetzt wird.
Der Stand der Technik hat die Verwendung eines Puzzolanerdematerials, wie Kalk, in einem System für die Fixierung von Blei und/oder anderen Metallen in Erde gelehrt. Jedoch lehrt der gleiche Stand der Technik die Verwendung von großen Mengen von Kalk für die Fixierung, welche unter anderem das Volumen der stabilisierten Erde dramatisch erhöhen. Im Gegensatz dazu können bei der Verwendung des auf einer Emulsion basierenden, organische Säure enthaltenden Systems der Erfindung die Vorteile eines Puzzolanerdematerials mit nur, z. B., 2–4 Gew.-% Kalk erzielt werden. Puzzolanerdematerialien, wie Kalk, können optional aus verschiedenen Gründen verwendet werden. Speziell verbessert Kalk die Aushärtungszeiten, verbessert die Verarbeitbarkeit der Erde und festigt die Erde, wodurch die Verwendung der stabilisierten Erde als speziell entwickeltes Füllmaterial und für Bauzwecke ermutigt wird.
Die fertiggestellte Emulsion hat typischerweise eine Zusammensetzung, die im wesentlichen, wie folgt, ist:

KOMPONENTEN GEWICHTSPROZENTSATZ

Wasser 35,7–47,7

Mittel 0,3–12,0

Emulgiermittel 02,00

Tallöl oder Asphalt 50,00

GESAMT 100,00
Obwohl die Tallöl- oder Asphaltkomponente in der Emulsion vorzugsweise nicht mehr als ungefähr 50 bis 55 Gew.-% ausmacht, um eine Phasenumkehr zu verhindern und die Lagerbeständigkeit der Emulsion zu verlängern, kann die Emulsion, wenn diese verwendet wird, mit Wasser weiter bis auf eine gewünschte Anwendungsstärke verdünnt werden, da die resultierende stärker verdünnte Emulsion unverzüglich verwendet werden wird.
Es wurden bestimmte Untersuchungen ausgeführt, um die Wirksamkeit der Erfindung zu bestimmen. Die Ergebnisse jener Untersuchungen sind in tabellarischer Form, wie folgt, aufgeführt:
Speziell wurden Erdproben mit Bleisulfat von Laborqualität versetzt. Die Untersuchungen erfolgten mit Emulsionen, die auf Asphalt, Tallölpech und Mischungen der beiden Trägermaterialien basierten. Die in der Tabelle oben erscheinende "Grundlinie" repräsentiert TCLP-Testergebnisse, gemessen in mg/l für Blei unter Verwendung von unbehandelter versetzter Erde. In den mit "0" bis "20%" überschriebenen Kategorien ist die Dosierung von Emulsion, welche zu der versetzten Erdprobe hinzugesetzt und damit gemischt wurde, wiedergegeben. Die unter diesen Überschriften aufgelisteten Zahlen sind die TCLP-Ergebnisse für die behandelten Proben. Die oben aufgeführten Daten geben auch den Unterschied zwischen dem Datum, wann die Emulsion und die Erde gemischt wurden; und dem Zeitpunkt, wann die Erde gemessen wurde, um die Entgiftung zu bestimmen, an. Es ist auch angegeben, dass, in bestimmten Fällen, Kalk als ein optional Hilfsmittel zugesetzt wurde.
Als das Untersuchungsprogramm fortschritt, wurde die Zugabe einer organischen Säure, in diesem Falle Oxalsäure, zu den Emulsionsrezepturen mit aufgenommen. Dies erfolgte teilweise, um die Theorie zu testen, dass eine Chelatisierung des Bleis mit diesen Emulsionen bewerkstelligt werden könnte, wenn eine organische Säure mit einer hohen Stabilitätskonstante für Blei hinzugesetzt würde. Für die Untersuchung wurde Oxalsäure gewählt, da bekannt war, dass diese Säure mit dem TOP-Trägermaterial hochgradig verträglich ist. Die Untersuchungsergebnisse mit dieser organischen Säure zeigten eine verbesserte Immobilisierung von Blei verglichen mit der Verwendung der anorganische Säure, HCl. Eine weitere Untersuchung des Konzeptmodells zeigte, dass eine Erhöhung der Menge von organischer Säure in der fertigen Mischung zu einer verbesserten Behandlungsleistung führte. Wieder wurden geringe Mengen Kalk hinzugesetzt, um die Verträglichkeit zu demonstrieren. Es wurde auch beobachtet, dass sich die Ergebnisse im allgemeinen verbesserten, wenn die Emulsion eine Gelegenheit erzielt, "auszuhärten", d. h. wenn die Zeitspanne zwischen dem Einmischen der Emulsion in die Erde und der Probennahme der Erde zunahm.
Da alle Ergebnisse mit organischen Säuren mit TOP-Emulsionen erhalten worden waren, erfolgte die neue Phase der Untersuchung mit Asphaltemulsionen, um zu bestätigen, dass das Konzeptmodell auch auf jenes Trägermaterial zutraf. Es wurden einige Untersuchungen zu der Studie hinzugefügt, welche hohe Konzentrationen von Wasser umfassten. Dies erfolgte, da das vorliegende Modell aus der Wasserchemie von kationischen Metallen, welche mit vollständig ionisierten organischen Säuren Chelate bilden, abgeleitet worden war. Diese Untersuchungsergebnisse zeigten eine verbesserte Immobilisierung von Blei mit und ohne Zugabe von Kalk.

Claims

Verfahren zur Behandlung eines festen Abfallmaterials, welches mit einem auslaugbaren kationischen Metall verunreinigt ist, wobei das Verfahren umfasst, das feste Abfallmaterial mit einem Öl-in-Wasser-Emulsionssystem, welches einen Überzug bildet und einen dünnen Film aus Rückstand von der Emulsion aufträgt, zu mischen, um die Mengen von kationischem Metall, welches aus dem festen Abfallmaterial auslaugbar ist, zu verringern, wobei die Emulsion eine organische Komponente, welche einen Bestandteil, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Asphalt und Tallölpech und Mischungen davon, umfasst, eine wässrige Phase, welche ein Emulgiermittel für die organische Komponente umfasst, und ein chelatbildendes oder komplexbildendes Mittel oder Fällungsmittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das kationische Metall aus der Gruppe bestehend aus Blei, Barium, Beryllium, Chrom(III), Cobalt, Kupfer, Nickel, Silber und Zink, ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das feste Abfallmaterial einen Bestandteil, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Erde, Baggeraushub, Asche, Schlacke, Beton, Ziegelstein, Schlamm, Bohrschlamm, Grobsand und Mischungen davon, umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Mittel einen Bestandteil, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Carbonsäuren und Fällungsmitteln für das kationische Metall, umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei dem festen Abfallmaterial des weiteren Kalk hinzugefügt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Mittel eine organische Säure ist, die ein Chelat mit dem auslaugbaren kationischen Metall bildet.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die organische Säure einen Bestandteil, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Oxalsäure, Stearinsäure und Huminsäure, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Fällungsmittel Phosphorsäure umfasst.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Carbonsäure dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Stabilitätskonstante höher als Essigsäure hat.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das feste Abfallmaterial, nachdem es mit der Emulsion zusammengebracht worden ist, dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen pH aufweist, welcher höher ist als der pK des Mittels.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die wässrige Phase dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen pH aufweist, welcher durch die Zugabe eines Bestandteils, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus HCl und NaOH, eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die wässrige Phase wenigstens 30 Gew.-% der Emulsion umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das kationische Metall Blei ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Fällungsmittel Phosphorsäure ist und das kationische Metall Blei ist, wobei diese miteinander unter Bildung von Bleiphosphat reagieren.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Emulsion Tallöl mit einem pH unter 7,0 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Emulsion Tallöl mit einem pH zwischen ungefähr 3,0 und 5,0 umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wässrige Phase ungefähr 4% Emulgiermittel, 84% Wasser und 12% Oxalsäure umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die wässrige Phase ungefähr 4% Emulgiermittel, 72% Wasser und 24% Phosphorsäure umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Emulsion 40–50% der organischen Komponente, 6–12% organische Säure, 40–50% Wasser und 2% Emulgiermittel umfasst.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Emulsion ein Emulgiermittel umfasst, welches in Gegenwart von Calciumhydroxid ein Aminsalz bildet.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die Emulsion ein Emulgiermittel umfasst, welches einen Bestandteil, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Talgdiamin, Talgtetraamin, Triamidoamin, Imodazalin und Mischungen davon, umfasst.
Verwendung von behandeltem festem Abfallmaterial, welches durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 erhalten werden kann, als ein tragendes Füllmaterial.
Verwendung von behandeltem festem Abfallmaterial, welches durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 erhalten werden kann, als ein Material für die obere Tragschicht von Straßen.
Behandeltes festes Abfallmaterial, welches durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 erhalten werden kann.
Verfahren zur Herstellung eines Baumaterials aus festem Abfallmaterial, welches mit einem auslaugbaren kationischen Metall verunreinigt ist, wobei das Verfahren umfasst, das feste Abfallmaterial mit einem Öl-in-Wasser-Emulsionssystem, welches einen Überzug bildet und einen dünnen Film aus Rückstand von der Emulsion aufträgt, zu mischen, um die Mengen von kationischem Metall, welches aus dem festen Abfallmaterial auslaugbar ist, zu verringern, wobei die Emulsion eine organische Komponente, welche einen Bestandteil, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Asphalt und Tallölpech und Mischungen davon, umfasst, eine wässrige Phase, welche ein Emulgiermittel für die organische Komponente umfasst, und ein chelatbildendes oder komplexbildendes Mittel oder Fällungsmittel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Baumaterial ein Bestandteil, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus allgemeinem Füllmaterial, Hinterfüllung für Gräben, nicht-teurem Füllmaterial unter Betonplatten guter Qualität, festgestampftem Boden, tragender Hinterfüllung, Sauberkeitsschicht, Packlage für den Straßenbau, Abdeckungsmaterial für die Landauffüllung und Abdekkungsmaterial für die Erosionskontrolle bei Straßendämmen, ist.
Baumaterial, welches durch das Verfahren von Anspruch 25 oder 26 erhalten werden kann.