Überkritisches Wasser (TC = 374 Grad C, pC = 22,1 MPa) ist ein
ausgezeichnetes Lösungsmittel für organische Kontaminationen aus
Böden. Hochfeinkornhaltige Bodenmaterialien mit auch zum Teil stark gealterten
Kontaminationen können aufgrund der vollständigen Löslichkeit der
Kohlenwasserstoffe im Wasser gereinigt werden (z.B. CND 36, T = 380 Grad C, p =
25 MPa, Extraktionsgrad: 116% bezogen auf Soxhletextraktion mit
Cyclohexan/Aceton). Nach der Extraktion wird eine verbesserte biologische
Abbaubarkeit festgestellt; der vollständige Abbau der Schadstoffe kann jedoch
erst durch die Behandlung der Prozeßwässer mit/in überkritischem
Wasser erreicht werden. Durch die Zugabe von Sauerstoff ist der Totalabbau der
Kohlenwasserstoffe zu CO2 und H2O bei geeigneter Wahl der Prozeßparameter
möglich (z.B. CND 36 Prozeßwasser, T = 400 Grad C, p = 25 MPa,
Umsatzgrad: 99,9 %).
Bisher wurde die Trennung von Kontamination und Bodenmaterial in einem
Festbettextraktor bei kontinuierlicher Wasserförderung durchgeführt. In der
laufenden Antragsphase soll der Feststoff kontinuierlich mit einem Massendurchsatz
von zunächst 0,1 kgTS/h als Suspension gefördert werden. Nach der
Lösung verfahrenstechnischer Probleme soll basierend auf den Erkenntnissen
der Festbettextraktion der Extraktionsgrad in Abhängigkeit verschiedener
Einflußfaktoren wie den Zustandsbedingungen, der Feststoffmassenkonzentration
und der Strömungsgeschwindigkeit untersucht werden.
In einem zweiten Arbeitsschwerpunkt soll der Sauerstoff für die Reaktion durch
In-Line Elektrolyse bereitgestellt werden. Die Elektrolyse soll unter Hochdruck bei 2225
MPa durchgeführt werden und bis zu Temperaturen von 350 Grad C einsetzbar
sein. Dazu soll ein Feststoffelektrolyt aus ZrO2/Y2O3 verwendet werden, der zudem die
Trennung der Produktgase H2 und O2 bewirkt. Nach Erprobung der Elektrolyse ist die
Integration in den Extraktions/Reaktionsprozeß vorgesehen. Dabei muß der
Reaktionsmechanismus der Kohlenwasserstoffe an den Elektroden der Zelle
untersucht werden.
Bei der Wäsche (Klassierung), aber auch bei der Flotation kontaminierter
Böden fallen Feinkornfraktionen an, die in der Regel sehr hoch mit Schadstoffen
belastet sind. In diesem Projekt soll versucht werden, derartige aus kontaminierten
Böden abgetrennte Feinkornfraktionen mit Hilfe von Ozon bzw. Ozon/Wasserstoffperoxid von organischen Kontaminanten zu befreien und somit nicht als
Sondermüll zu entsorgen.
Dazu sollen aus kontaminierten Böden abgetrennte, in Wasser bzw. in einer
wäßrigen Wasserstoffperoxid-Lösung suspendierte Feinkornfraktionen
mittels einer Düse in eine Ozon-Atmosphäre dispergiert werden. Für
diesen Sprühreaktor sollen volumetrische Stoffübergangskoeffizienten
für reinen Sauerstoff und für Ozon ermittelt werden, wobei der Einfluß
der Partikelkonzentration untersucht werden soll.
Der Abbau der organischen Kontamination soll durch Glühverlust-Messungen und
durch Einzelstoff-Messungen in organischen Extrakten (in Anlehnung an die im SFB
bisher erarbeiteten Extraktionsmethoden) der Feinkornfraktion quantifiziert werden.
Außerdem soll in Sapromat-Versuchen an suspendierten Feinkornfraktionen vor
und nach der Ozonisierung untersucht werden, ob die organischen Kontaminanten
durch die chemische Oxidation einem biologischen Abbau zugänglich gemacht
werden können.
In zusätzlichen Experimenten soll geklärt werden, ob eine biologische
Vorbehandlung der Feinkornfraktion zu einem sparsameren Einsatz von Ozon bei glei-
chem Reinigungsergebnis der chemischoxidativen Behandlung führt. Mit
Ozon/Wasserstoffperoxid nicht vollständig oxidierte Bodenmaterialien werden an
die Teilprojekte B3 und B6 weitergegeben, wo ermittelt wird, ob diese chemische Mo-
difikation einen Einfluß auf die Mietensanierung bzw. auf die thermophile
biologische Behandlung des Bodens hat. In Kooperationen mit dem Teilprojekt A8 wird
außerdem untersucht, ob es günstiger ist, von organisch/anorganisch
mischkontaminierten Feinkornfraktionen zuerst die organischen Substanzen oder
zuerst die Schwermetalle zu entfernen.
Auch aus wäßrigen Phasen, die bei der Wäsche und bei der Extraktion kontaminierter Böden anfallen, werden organische Schadstoffe im
Ozon-Sprühreaktor eliminiert.
In der ersten Projektphase wurden die Grundlagen von Verfahren zur Wäsche
mineralölkontaminierter Böden untersucht. Die verfahrenstechnische
Charakterisierung dieser Böden zeigte, daß die Kontaminationen
überwiegend im Feinkornbereich akkumuliert und an den Oberflächen der
Bodenpartikeln angelagert sind.
In einer Laborversuchsanlage zur Wäsche kontaminierter Böden mit
Hochdruckwasserstrahlen wurden die Dispergierung des Bodenmaterials, die
korngrößenabhängige Reinigungswirkung sowie verschiedene
Klassierverfahren (Siebung, Aufstrom- und Hydrozyklonklassierung) untersucht.
Es konnte gezeigt werden, daß sich mineralölkontaminierte Böden
durch die Abtragung oberflächlich anhaftender Schadstoffschichten und durch
Abtrennung der hochbelasteten Feinkornfraktion reinigen lassen.
Um das Verfahren auch für Böden mit hohem Feinkornanteil einsetzen zu
können, wurde in der zweiten Projektphase die Flotation zur weitergehenden
Aufbereitung der Feinkornfraktion untersucht. Dazu wurde im halbtechnischen
Maßstab die Druckentspannungsflotation mit der pneumatischen Flotation
verglichen. Es hat sich gezeigt, daß die pneumatische Flotation im Hinblick auf
das Reinigungsergebnis wesentlich geeigneter ist und über die
Schaumhöhe eine apparative Möglichkeit der Betriebseinstellung gegeben
ist.
Als Schäumer erwiesen sich spezielle Fettalkohol/Kohlenwasserstoff-Gemische,
als Sammler ein sulfogruppenhaltiges Produkt als geeignet. Bei höherer
Belastung des Bodens kann aufgrund der hydrophobierenden Eigenschaften der
Mineralöle auf die Verwendung von Sammlern verzichtet werden. Die beste
Selektivität der Trennung ergab sich bei pH-Werten zwischen 2 und 4.
In der laufenden Projektphase sollen die Grundlagen für die Aufbereitung
schwermetallbelasteter Böden untersucht werden. Durch die Ermittlung der
Korngrößenverteilung, der Verteilung der Schadstoffe auf die
Korngrößen- und Dichtefraktionen, der Vergesellschaftung mit der Organik
und anderen Bodenbestandteilen sowie der chemischen Bindungsformen der
Schwermetalle soll das Material verfahrenstechnisch und chemisch charakterisiert
werden. Mit den dabei gewonnenen Erkenntnissen soll die Aufbereitung des Materials
durch Naßaufschluß, mehrstufige Klassierung, Dichtesortierung und
Flotation untersucht werden. Schwerpunkt der Arbeiten wird im
Naßaufschluß und der Flotation liegen.
Im vorliegenden Teilprojekt A8 soll ein neues, ökologisch verträgliches
Verfahrenskonzept zur Entfernung und Rückgewinnung von Schwermetallen aus
Altlasten entwickelt werden. Bestehend aus den Verfahrensschritten der Extraktion mit
organischen Säuren, der Elektrolyse und einem Schaumtrennungsverfahren wie
der Ionenflotation, schließt es die Behandlung der anfallenden
Abwässer/Extrakte mit ein. Grundlegend für eine
verfahrenstechnischchemische Charakterisierung der Altlasten hinsichtlich ihrer
Behandlung mit den oben genannten Verfahren ist die Aufklärung der
Bindungsformen der vorliegenden Schwermetalle. Dazu sollen phasenspezifische
sequentielle Extraktionen sowie röntgendiffraktometrische und
rasterelektronenmikroskopische Analysen durchgeführt werden. Diese
Untersuchungen dienen einerseits als Grundlage für die Arbeiten der Teilprojekte
A1 (hydrolytische und thermische Spaltung), A3 (chemische Oxidation durch
Ozonisierung), A5 (mechanischphysikalische Aufbereitung), B3 (biologische
Reinigung), B4 (Wirkungen von Schadstoffen aus Mischkontaminationen auf den
Mineralölabbau) und B5 (Abbau chlorierter Kohlenwasserstoffe in Böden).
Andererseits geben sie, zusammen mit den Ergebnissen der Teilprojekte B4, C1
(ökotoxikologische Bewertung mittels Biotests), C6 (Richtlinien für den
Umgang mit kontaminierten Standorten) und D7 (Veränderungen in Böden
durch die biologische Reinigung) Hinweise für die Anwendbarkeit, Modifizierung
und Kombination oben genannter Verfahren. Größter Wert wird bei der
Verfahrensentwicklung auf die Verwendung umweltverträglicher Trennhilfsmittel,
die Vermeidung von problematischen Reststoffen, die Entfernung der Schwermetalle
aus dem ökosystem und deren Rückgewinnung sowie die Möglichkeit
einer einfachen Renaturierung der gereinigten Bodenmaterialien gelegt.
Die saure Extraktion soll in Zusammenarbeit mit Teilprojekt A5 vergleichend zum
einen direkt nach einer mechanischen Korngrößenfraktionierung und zum
anderen nach einer vorangegangenen Bodenwäsche und Aufkonzentration
durchgeführt werden. Es sollen die Grundlagen für die Auslaugbarkeit von
Schwermetallen aus verschiedenen Böden durch Variation von Parametern wie
z. B. Art der Säure, deren Konzentration und dem Feststoff/Flüssigkeits-Verhältnis erarbeitet werden. Die hochkonzentrierten Eluate werden im Sauren (ohne Anhebung des pH-Wertes) zur Abscheidung gelöster Schwermetalle einer Elektrolyse unterzogen und bis zu einer Grenzkonzentration abgeschieden, unterhalb derer eine weitere elektrolytische Schwermetallabreicherung ökonomisch bzw. technisch nicht mehr sinnvoll ist. Ebenfalls im sauren Milieu sollen die verbleibenden Restkonzentrationen an Schwermetallen mit Hilfe eines Schaumtrennungsverfahrens wie der Ionenflotation aufkonzentriert und abgeschieden werden. Dabei werden verschiedene Komplexbildner und oberflächenaktive Stoffe in Abhängigkeit von relevanten Betriebsparametern getestet. Vergleichend zur Schaumtrennung soll auch die Ultrafiltration eingesetzt werden, z. B. zur Abtrennung von Kolloiden oder Niederschlägen.
Der Einsatz biologisch abbaubarer, organischer Säuren anstelle von
Mineralsäuren einerseits und der weitestgehende Verzicht auf eine Anhebung
des pH-Wertes andererseits haben die Vermeidung des Eintrags von Neutralsalzen in
den Abwasserreststrom und eine wesentliche Reduzierung der Erzeugung von
Abfall-Schwermetallsalzgemischen zum Ziel.