Kurzfassung
In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahrenskonzept zur In-situ-Dekontamination schwermetallkontaminierter Böden entwickelt und untersucht. Die Strategie des Verfahrens besteht in der Anwendung von Kohlensäure als Elutionsmittel, das eine Auswaschung der Schwermetalle ohne vollständige Zerstörung der Bodenmatrix erlaubt. In einem zweiten Schritt des Verfahrens erfolgt die Reinigung des schwermetallkontaminierten Eluates mit Hilfe von geeigneten Ionenaustauschern sowie Aktivtonerde.
Die Untersuchungen wurden in zwei Versuchsständen unterschiedlicher Größe durchgeführt. In verschiedene real kontaminierte Bodenkompartimente wurde Leitungswasser, das bei einem Partialdruck von 6 bzw. 2,6 bar mit CO2 gesättigt wurde, über eine Beregnung unter Druck oder über ein Lanze direkt in den Boden eingebracht.
Nach Durchsatz von 200 bis 800 Porenvolumina Kohlensäure wurden in den Bodenlösungen pH-Werte zwischen 4,6 und 6,4 erreicht. Die insgesamt vorhandene Schwermetallmenge an Cd, Zn, Cu, Ni und Tl ließ sich dadurch um 10 bis 50 % vermindern. Das meist immobile Pb und As wurden zu maximal 3 % eluiert. Diese eluierten Mengen entsprachen mit wenigen Ausnahmen 60 bis 100 % der mobilisierbaren Anteile. Dies sind im Wesentlichen die leicht löslichen, austauschbaren und carbonatisch gebundenen Metalle, die über eine sequentielle Extraktion abgeschätzt werden können.
Grundlage einer mathematischen Simulation der Schwermetallelution bzw. des Stofftransports in einem wassergesättigten Porensystem bildete die Konvektions-Dispersion-Gleichung. Wechselwirkungen zwischen Lösung und Festphase wurden in einem summarischen Ansatz als kinetisch bestimmte Quasi-Sorption betrachtet. Auf Basis von Gleichgewichtsversuchen wurden Desorptionsgeschwindigkeiten und Langmuir-Parameter ermittelt. Unter Annahme eines einzigen Typs von Adsorptionsplätzen ergab die Modellierung der Eluatkonzentrationen in vielen Fällen ein zufriedenstellendes Resultat. Nur in einem Extremfall führte die Annahme zwei verschiedener Typen von Adsorptionsplätzen zu einer wesentlichen Verbesserung der Simulation.
About the Heavy Metal Removal (in site) from Soil by Carbon Acid and integrated Recycling of Metals by Ion Exchance Resins
Abstract
A concept of a remediation process (in-situ) for heavy metal contaminated soils was developed and examined. The strategy of the process is to use carbon acid as eluting agent which allows to elute heavy metals without completely destroying the structure of soil. In a second step of the process the heavy metals are removed from the water by a suitable ion exchanger or activated alumina.
Investigations were carried out using two installations of different size. Natural water saturated with CO2 under pressure of 6 or 2.6 bar respectively was sprinkled on the soil under pressure or pressed into the soil by means of a lance. After a throughput of 200 to 800 pore volumina of carbon acid in the soil solution pH-values of 4.6 to 6.4 were reached. The total amount of Cd, Zn, Cu, Ni and Tl could be diminished by 10 to 50 %. Pb and As could be eluted by 3 % at the maximum. These amounts correspond with few exceptions to 60 to 100 % of the mobilizable metals, which can be estimated by sequential extraction.
The basis for a mathematical simulation of heavy metal elution in water saturated porous systems is the differential mass balance for convective and dispersive transport. All interactions between solid and liquid phase were considered together as a pseudo sorption process, which is controlled by kinetics. Desorption rates and Langmuir parameters were derived from equilibrium experiments. Under the assumption of one type of adsorption sites the modelling of metal concentrations yielded satisfactory results. Only in one extreme case the assumption of two different adsorption sites lead to a fundamental improvement of simulation.