TY - THES

T1 - Auswirkungen der thermischen Behandlung von Böden auf die Mobilität von Schwermetallen

AU - Berrer, Iris

N1 - nicht gesperrt

PY - 2022

Y1 - 2022

N2 - Schwermetalle sind neben Chlorkohlenwasserstoffen und Mineralölen eine der häufigsten Verunreinigungen in Altlasten. Mittels In-situ-Immobilisierung kann eine erfolgreiche Sicherung und Sanierung von Schwermetallbelastungen erreicht werden. In co-kontaminierten Altlasten können semivolatile und volatile organische Stoffe mittels physikalischer Verfahren, wie z.B. der thermisch unterstützten Bodenluftabsaugung, entfernt werden. Schwermetalle bleiben jedoch weiterhin im behandelten Boden. Die Temperaturbelastung beeinflusst die chemische und mineralogische Zusammensetzung sowie die Struktur des Untergrundes. Es kommt dabei auch zur Änderung des pH-Wertes und des Wasserhaushaltes sowie der mikrobiellen Tätigkeit. Durch diesen Temperatureinfluss können Schwermetalle jedoch auch erneut mobilisiert werden, was möglicherweise dem Sanierungserfolg entgegenwirkt und bisher noch nicht genauer erforscht wurde.Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Temperatureinfluss auf die Veränderung der Mobilität von spezifischen Schwermetallen in fünf verschiedenen Bodenproben, die einer thermischen Behandlung bei 105 °C, 300 °C und 500 °C zugeführt worden waren. Die Proben wurden anschließend pH-abhängigen Elutionsversuchen (EN 14429) bei Raumtemperatur unterzogen und die Auswirkung der vorigen Behandlung untersucht. Die maximal auslaugbare Konzentration eines Elements in einem Versuch wurde als verfügbare Konzentration für die Modellierung der mobilitätskontrollierenden Mechanismen dem Simulationsprogramm LeachXSTM mit der Datenbank ORCHESTRA verwendet. Dabei handelt es sich entweder um das Löslichkeitsgleichgewicht einer schwermetallhaltigen Mineralphase oder um das Adsorptionsgleichgewicht an einer Mineraloberfläche. Elementarverteilungskarten aus Mikrosondenuntersuchungen ermöglichten einen Ergebnisvergleich, indem sie die mineralogische Bindungsform der Schwermetalle aufzeigen.Die pH-abhängigen Auslaugversuche zeigen für Cu, Pb, Cd and Zn ein amphoteres Verhalten, d.h. eine minimale Mobilisierung im mittleren pH-Bereich. Das Minimum verschiebt sich mit zunehmender Behandlungstemperatur zu höheren pH-Werten und geringeren Eluatkonzentrationen, es kommt also zu einer Immobilisierung. Die Modellierungen zeigen, dass Adsorptionsprozesse für Cd den ausschließlichen und für Cu, Pb und Zn einen wesentlichen freisetzungskontrollierenden Mechanismus darstellen. Zusätzlich treten bei den letztgenannten Elementen laut Modellierung im alkalischen Bereich Oxide und Hydroxide auf, deren geringere Löslichkeit in thermisch behandelten Proben eine Ursache der Immobilisierung sein könnte. Die Mikrosondenuntersuchungen zeigen Pb in Form von Phosphaten, Silikaten und Sulfaten, die jedoch laut Modell eine höhere Löslichkeit aufweisen, so dass es anschließend zur Adsorption und Ausfällung von Sekundärphasen kommt.Chrom zeigt ein von den anderen Schwermetallen teilweise abweichendes Verhalten. Zwar ist in unbehandelte und gering erhitzte Proben auch ein amphoteres Verhalten feststellbar, bei einer Behandlung von 300 °C und mehr ist die Freisetzung aber konstant hoch, es kommt somit durch die thermische Behandlung zu einer Mobilisierung. Die Mobilität von Chrom wird ausschließlich durch Adsorptionsprozesse kontrolliert. Da sich das Gleichgewicht zwischen Cr(III) und Cr(VI) mit zunehmender Temperatur zum Cr(VI) verschiebt, welches als Anion vorliegt, kann die höhere Mobilität auf diese Oxidationsreaktion zurückzuführen sein. Die Mikrosondenuntersuchungen zeigen die Bindung von Chrom in Chromit, FeCr2O4, der sich dann laut Modellierung partiell lösen müsste, bevor das Chrom wieder durch Adsorption fixiert wird.

AB - Schwermetalle sind neben Chlorkohlenwasserstoffen und Mineralölen eine der häufigsten Verunreinigungen in Altlasten. Mittels In-situ-Immobilisierung kann eine erfolgreiche Sicherung und Sanierung von Schwermetallbelastungen erreicht werden. In co-kontaminierten Altlasten können semivolatile und volatile organische Stoffe mittels physikalischer Verfahren, wie z.B. der thermisch unterstützten Bodenluftabsaugung, entfernt werden. Schwermetalle bleiben jedoch weiterhin im behandelten Boden. Die Temperaturbelastung beeinflusst die chemische und mineralogische Zusammensetzung sowie die Struktur des Untergrundes. Es kommt dabei auch zur Änderung des pH-Wertes und des Wasserhaushaltes sowie der mikrobiellen Tätigkeit. Durch diesen Temperatureinfluss können Schwermetalle jedoch auch erneut mobilisiert werden, was möglicherweise dem Sanierungserfolg entgegenwirkt und bisher noch nicht genauer erforscht wurde.Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Temperatureinfluss auf die Veränderung der Mobilität von spezifischen Schwermetallen in fünf verschiedenen Bodenproben, die einer thermischen Behandlung bei 105 °C, 300 °C und 500 °C zugeführt worden waren. Die Proben wurden anschließend pH-abhängigen Elutionsversuchen (EN 14429) bei Raumtemperatur unterzogen und die Auswirkung der vorigen Behandlung untersucht. Die maximal auslaugbare Konzentration eines Elements in einem Versuch wurde als verfügbare Konzentration für die Modellierung der mobilitätskontrollierenden Mechanismen dem Simulationsprogramm LeachXSTM mit der Datenbank ORCHESTRA verwendet. Dabei handelt es sich entweder um das Löslichkeitsgleichgewicht einer schwermetallhaltigen Mineralphase oder um das Adsorptionsgleichgewicht an einer Mineraloberfläche. Elementarverteilungskarten aus Mikrosondenuntersuchungen ermöglichten einen Ergebnisvergleich, indem sie die mineralogische Bindungsform der Schwermetalle aufzeigen.Die pH-abhängigen Auslaugversuche zeigen für Cu, Pb, Cd and Zn ein amphoteres Verhalten, d.h. eine minimale Mobilisierung im mittleren pH-Bereich. Das Minimum verschiebt sich mit zunehmender Behandlungstemperatur zu höheren pH-Werten und geringeren Eluatkonzentrationen, es kommt also zu einer Immobilisierung. Die Modellierungen zeigen, dass Adsorptionsprozesse für Cd den ausschließlichen und für Cu, Pb und Zn einen wesentlichen freisetzungskontrollierenden Mechanismus darstellen. Zusätzlich treten bei den letztgenannten Elementen laut Modellierung im alkalischen Bereich Oxide und Hydroxide auf, deren geringere Löslichkeit in thermisch behandelten Proben eine Ursache der Immobilisierung sein könnte. Die Mikrosondenuntersuchungen zeigen Pb in Form von Phosphaten, Silikaten und Sulfaten, die jedoch laut Modell eine höhere Löslichkeit aufweisen, so dass es anschließend zur Adsorption und Ausfällung von Sekundärphasen kommt.Chrom zeigt ein von den anderen Schwermetallen teilweise abweichendes Verhalten. Zwar ist in unbehandelte und gering erhitzte Proben auch ein amphoteres Verhalten feststellbar, bei einer Behandlung von 300 °C und mehr ist die Freisetzung aber konstant hoch, es kommt somit durch die thermische Behandlung zu einer Mobilisierung. Die Mobilität von Chrom wird ausschließlich durch Adsorptionsprozesse kontrolliert. Da sich das Gleichgewicht zwischen Cr(III) und Cr(VI) mit zunehmender Temperatur zum Cr(VI) verschiebt, welches als Anion vorliegt, kann die höhere Mobilität auf diese Oxidationsreaktion zurückzuführen sein. Die Mikrosondenuntersuchungen zeigen die Bindung von Chrom in Chromit, FeCr2O4, der sich dann laut Modellierung partiell lösen müsste, bevor das Chrom wieder durch Adsorption fixiert wird.

KW - Altlast

KW - Mobilität von Schwermetallen

KW - Thermische Sanierung

KW - TCH Thermal Conductive Heating

KW - Eluatkonzentration

KW - LeachXS

KW - Hydrochemische Modellierung

KW - Contaminated Site

KW - Mobility of Heavy Metals

KW - Thermal Remediation

KW - TCH Thermal Conductive Heating

KW - Eluate Concentration

KW - LeachXS

KW - Hydrochemical Modelling

M3 - Masterarbeit

ER -