Solidifikácia a stabilizácia
Princíp
Solidifikácia a stabilizácia (S/S) je termín, ktorý zahŕňa celý rad technológií a procesov, pri ktorých sa využívajú aditíva a spojivá na sanáciu kontaminovaných miest (Fuentes et al., 2002). Solidifikácia je fyzikálna premena a uzatvorenie kontaminovaného materiálu do monolitickej, mechanicky odolnej a obmedzene priepustnej štruktúry. Chemické vlastnosti škodlivín sa nemusia týmto procesom ovplyvniť. Pri solidifikácii ide o premenu sypkého alebo kvapalného odpadu na pevný materiál, pričom sa vytvárajú fyzikálne bariéry spomaľujúce alebo znemožňujúce transport toxických látok do prostredia. Stabilizácia je proces chemického viazania škodlivín do stabilnej a málo rozpustnej formy. Fyzikálne vlastnosti sanovaného materiálu tento proces nemusí ovplyvniť.
Použiteľnosť
Solidifikácia a stabilizácia sa dajú použiť na odstraňovanie znečistenia zapríčineného anorganickými látkami (mnohé ťažké kovy, rádionuklidy) a vybranými organickými zlúčeninami nachádzajúcimi sa v zeminách. Obe metódy sa používajú in situ v prípade, ak prepravovanie kontaminovaného materiálu nie je možné. Metódy sú použiteľné na čistenie kontaminovaných pôd, kalových lagún alebo rozličných kontaminovaných sedimentov. Takýmto spôsobom je možné sanovať materiály kontaminované ťažkými kovmi (Hg, As, Pb, Zn, Cd, Cr), rozpustnými zlúčeninami (chloridy, sulfáty atď.), uhľovodíkmi, ferokyanidmi a ďalšími škodlivinami (Fuentes et al., 2002).
Viaceré z techník sa komerčne využívajú, ďalšie sú v štádiu experimentov priamo na miestach kontaminácie. Vo vývoji sú nové zloženia používaných materiálov s cieľom odstraňovať organické znečistenie, napr. tzv. systém Polyethylene Encapsulation of Radionuclides and Heavy Metals (PERM) (Fuentes et al., 2002).
Základná charakteristika
Cieľom S/S je previesť znečisťujúce látky do chemicky a fyzikálne stabilnej formy, a tak ich izolovať od prostredia (obr. 4.1.13). Fyzikálno-chemická úprava stabilizáciou a solidifikáciou spočíva v prevedení na menej rozpustnú formu a vytvorení fyzikálnej bariéry znemožňujúcej alebo obmedzujúcej transport toxických látok do prostredia (Kafka a Čudová, 2001).
Obr. 4.1.13. Schéma využitia solidifikácie a stabilizácie.
Postup S/S spočíva v premiešavaní sanovaného materiálu so spojivom, prípadne s podpornými chemickými činidlami (aditívami). V praxi sa najčastejšie používajú hydraulické spojivá ako cement, popolček a troska. V špecifických situáciách sa doplnkovo používa vápenatý hydrát a výnimočne aj asfaltové spojivá. Používané materiály sú aj jemné kremičitany, vápenec, termoplastické spojivá, niektoré sorbenty (aktívne uhlie, íly, zeolity a silikáty) a voda v zodpovedajúcom pomere. Solidifikácia je najčastejšie založená na jednoduchom miešaní kontaminovanej pôdy s cementom alebo asfaltom (bitúmenom) na formu odolnej masy s nízkym stupňom vylúhovateľnosti. Výsledkom môže byť monolitická forma odpadu, granulovaný materiál, ílovitý materiál alebo rozličné formy roztokov. Stabilizácia najčastejšie zahŕňa chemické reakcie vedúce k väzbe kontaminantov na substrát, ktorý je menej mobilný a obsahuje kontaminanty. Táto technika sa môže využívať samostatne alebo v spojitosti s ostatnými sanačnými technológiami (FRTR, 2008).
K hlavným solidifikačným technológiám patria (Kafka a Čudová, 2001):
• cementácia – miešanie s cementom pri normálnej teplote (nízka cena, veľký objem),
• bitumenácia – miešanie s asfaltovými typmi spojív pri zvýšenej teplote (kvalitnejší produkt, ale zvýšené nebezpečenstvo požiaru – kaly, kvapalné koncentráty),
• vitrifikácia – tavenie s látkami tvoriacimi sklo pri vysokej teplote (znižuje sa objem odpadu, výsledné sklo je vysoko inertné a dá sa využiť v stavebníctve, v odpade môže byť vysoká koncentrácia toxických látok, popolčeka),
• fixácia do vhodných materiálov – cieľom je zníženie vylúhovateľnosti pred trvalým uskladnením odpadu.
Pri solidifikácii sa využívajú anorganické aj organické spojivá, prípadne ich kombinácie. Anorganické spojivá sa delia na hydraulické a nehydraulické. Ich výhoda spočíva v nízkej cene materiálu, aplikovateľnosti na rozličné druhy odpadu a v jednoduchosti použitej technológie. K nevýhodám patrí pomerne vysoký obsah nečistôt (napr. nadlimitný obsah chrómu v prípade cementu) alebo celkový nárast objemu odpadu. Do skupiny hydraulických spojív, ktoré po zmiešaní s vodou samovoľne tuhnú na vzduchu aj pod vodou, patria látky na báze cementu (portlandské, troskové a troskovo-portlandské cementy). Pevná matrica vzniká po prídavku vody v dôsledku hydratácie kremičitanov cementu. V niektorých prípadoch je potrebná voľná voda prítomná v samotnom odpade. Za ďalšie hydraulické spojivá sa považujú popolčeky zo spaľovní Zn, Cd, Hg, Pb a As, metalurgický odpad s obsahom Pb, As a Sb, resp. popolčeky z procesu galvanického pokovovania (Kafka a Punčochářová, 2001a). K najčastejšie používaným nehydraulickým spojivám tuhnúcim na vzduchu karbonizáciou vzdušným oxidom uhličitým, patrí biele vápno a vápenný hydrát. K anorganickým spojivám patria sklo tvoriace spojivá (hydrokremičitany a hydrohlinitokremičitany vápenaté), prídavok Na2S alebo FeS (odpad s obsahom Hg, zeminy kontaminované ťažkými kovmi). Organické spojivá sa uplatňujú najmä pri solidifikácii rádioaktívneho odpadu alebo určitých typov organického odpadu, ktoré nie je možné zneškodniť termicky. Do tejto skupiny patria napr. bitúmenové živice, polyestery alebo epoxidové živice. Výhodou ich použitia je napr. vysoká hydrolytická stabilita pripraveného solidifikátu alebo jeho odolnosť proti biodegradácii (Kafka a Punčochářová, 2001a). V praxi sa často využíva kombinácia rôznych spojív (cement + vápno, kremičitý prach atď.).
Na zlepšenie vlastností solidifikátov sa k anorganickým spojivám pridávajú rôzne aditíva, ktoré prispievajú k fyzikálno-chemickým interakciám v pevnej fáze. Ich výsledkom je tvorba stabilného celku odolnejšieho proti vplyvom životného prostredia. Ako aditíva sa používajú napr. hlinky na sorpciu kvapalných a špecificky viazaných aniónov alebo katiónov, rozpustné kremičitany na stabilizáciu portlandského cementu, aktívne uhlie ako sorbent organických látok alebo hydroxid hlinitý. Podľa toho je možné využiť ako aditívum aj popolček, ktorý vzniká vo veľkom objeme ako nebezpečný odpad pri spaľovaní hnedého uhlia v elektrárňach (Kafka a Punčochářová, 2001).
Výhody a limitácie
Výhodou S/S sú relatívne nízke náklady na čistenie zemín kontaminovaných anorganickými znečisťujúcimi látkami. Metóda je zvyčajne veľmi jednoducho aplikovateľná.
Hlavné nevýhody a limitácie S/S je možné zhrnúť nasledovne (Kafka a Čudová, 2001):
• znečisťujúce látky nie sú odstránené z prostredia, nestávajú sa menej toxickými, iba sa rapídne znižuje ich mobilita,
• objem vzniknutého materiálu môže byť väčší ako pôvodný objem znečistenej pôdy (ak sa aplikuje solidifikácia),
• vzniknutý materiál by sa mal stále kontrolovať ako nebezpečný odpad,
• dlhodobé pôsobenie prírodných podmienok môže meniť stabilitu vzniknutého materiálu,
• pri použití stabilizácie je potrebná štúdia účinnosti, ktorá stanoví aplikovateľnosť metódy,
• použitie metódy môže limitovať hĺbka kontaminácie,
• vysoký obsah vody, ílov a organickej hmoty môže obmedziť možnosti procesu miešania,
• organické znečisťujúce látky sa vo všeobecnosti nedajú imobilizovať.
Trvanie čistenia a účinnosť
Sanácie solidifikáciou a stabilizáciou in situ sú relatívne rýchle metódy. Priemerný čas závisí od trvania priebehu chemických reakcií a času tuhnutia spojív. Pohybuje sa od niekoľko dní do niekoľko týždňov (Matějů et al., 2006).
© Atlas sanačných metód environmentálnych záťaží
Autori: Jana Frankovská, Jozef Kordík, Igor Slaninka, Ľubomír Jurkovič, Vladimír Greif,
Peter Šottník, Ivan Dananaj, Slavomír Mikita, Katarína Dercová a Vlasta Jánová
Štátny geologický ústav Dionýza Štúra, Bratislava 2010, 360 s,
ISBN 978-80-89343-39-3