ABFALLWIRTSCHAFT UND ABFALLENTSORGUNG

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1 ABFALLWIRTSCHAFT UND ABFALLENTSORGUNG Peter Lechner & Marion Huber-Humer MVA-Schlacke LVA-Nr & 101 Studienjahr 2011/2012

2 Studienjahr 2011/12 LVA & Stoffströme einer MVA Restabfall 100% H o = bis kj/kg TM Abluft (CO 2, Wasser) Energie Schlacke/ Asche ca. 22% Filterkuchen < 1% Reststoffdeponie Untertagedeponie

3 MVA - Schlackeaustrag Studienjahr 2011/12 LVA & 101 3

4 Studienjahr 2011/12 LVA & Zusammensetzung MVA-Schlacke aus Österreich (Analysen aus ) Parameter Bereich (% TS) Mittelwert C ORG 0,7 4,2 ca. 2 Al (davon ca.40% als Metall) 3,0 11,0 5,6 Fe ca variabel SO 4 (Sulfat) 1,1 10,0 5,2 Cl 0,11 0,83 0,4 Cu 0,05 0,85 0,15 Pb 0,025 0,55 0,14 Cd 0,0002 0,007 0,001

5 Zusammensetzung MVA-Schlacke Studienjahr 2011/12 LVA & 101 5

6 Studienjahr 2011/12 LVA & Ablagerung frischer MVA Schlacke vermeiden! hohe Temperaturen im Deponiekörper H 2 - Gasbildung (bereits mindestens 7 Explosionen / Verpuffungen in Deponien weltweit bekannt) Hohe Auslaugbarkeit bei Al, Cu Alkalisches Sickerwasser: nicht einleitbar Metall-Ressourcen gehen verloren (Korrosion) oder sind später kaum rückgewinnbar Mineralische Ressourcen gehen verloren

7 Temperaturprofil in einer Schlacken-Monodeponie Studienjahr 2011/12 LVA & 101 7

8 Temperaturen, gemessen beim Rückbau einer Deponie in Österreich Studienjahr 2011/12 LVA & Österreich: durch Rückbau entstand 2008 diese senkrechte, 5-6 m hohe Wand Temperaturen: 51 o C 62 o C in 4 bis 5m Tiefe Bayern: bis 90 0 C

9 Frische Schlacke: Hitzestress für die technischen Einrichtungen!! Studienjahr 2011/12 LVA & 101 9

10 Studienjahr 2011/12 LVA & Al + 3 H 2 O + OH - 1,5 H 2 + [Al(OH) 4 ] - Beispielsweise 27 l H 2 - Gas/kg Schlacke Wasserstoff-Gasbildung von MVA-Schlacke Gebildete Gesamtgasmenge in l/kgts maximale Wasserstoffgasbildung von gemahlener Schlacke (unter Zusatz von NaOH) H2-Gasbildung von Schlacke in Originalkorngröße Versuchsdauer in Tagen

11 H 2 -Produktion einer Schlacke-Monodeponie 100 Hydrogen 10 LEL Vol % 1 Aug 97 Dez 97 Feb 98 Dez 98 Mrz 99 Jun 99 Sep 99 Dez 99 Mrz 00 Jun 00 Sep 00 Dez 00 Mrz 01 Jun 01 Sep 01 Feb 02 Dez 01 Studienjahr 2011/12 LVA &

12 Kritische Parameter von frischer MVA- Schlacke Studienjahr 2011/12 LVA & Vergleich Eluatwerte frischer MVA-Schlacke mit Grenzwerten Vergleich Sickerwasser aus abgelagerter Schlacke (Versuchsfläche) mit Einleite- Grenzwerten ph Pb Pb Al Sb Mo Cu Cu SO 4 Cl Cl K Br SO 4

13 Studienjahr 2011/12 LVA & Alterung: Schlacke mit Karbonatsaum Reaktionen mit Wasser oder Luft Neue Mineralphasen

14 Studienjahr 2011/12 LVA & Hauptprozesse bei der Verwitterung Primäre Mineralphasen Sekundäre Mineralphasen Intermediär CaO Ca(OH) 2 CASH Kalzit CaSO 4 Al CaSO 4 * 0,5H 2 O Ettringit Al(OH) 3 Gips Fe, Zn FeO, Fe 3 O 4 FeOOH, ZnO etc Etc. etc.

15 Ausgewählte Mineralphasen CaO Kalk (Lime) CASH Kalzium-Aluminium- Silikat-Hydrat Ca(OH) 2 Portlandit CaCO 3 Kalzit Al Al-Metall Al(OH) 3 Gibbsit und amorphes Aluminiumhydroxid CaSO 4 * 0,5H 2 O Bassanit = Halbhydrat FeOOH Goethit CaSO 4 * 2H 2 O Gips Fe 2 O 3 Hämatit und Maghämit Na,K,Ca,Al,Si,O Feldspäte SiO 2 Quarz Gegenüber Wasser und CO 2 nicht stabil Studienjahr 2011/12 LVA &

16 Karbonatbildung bei größeren Körnern +H O 2 Ca(OH) 2 +H O 2 Diffusion CaO Verwitterung Diffusion CaO +CO 2 Ca(OH) 2 CaCO 3 +H O 2 ph ~12-2OH Ca 2+ ph ~8,3 - HCO 3 Ca 2+ Studienjahr 2011/12 LVA &

17 Studienjahr 2011/12 LVA & Karbonate - Neubildungen CaCO 3 FeCO 3 Abbildung 1: Aragonitkristalle in einer Pore (MV-Schlacke) Abbildung 2: Siderit in einer Pore (MV- Schlacke)

18 Schlacke (mikroskopisch) Abbildung 1: MV-Schlacke mit Fließgefüge und Entgasungsporen Abbildung 2: stengelige Pyroxene in MV- Schlacke Abbildung 3: Fe-reiche Phasen in Schlackeglas (MV) Abbildung 4: feinfaserige Augite in MV- Schlackeglas Studienjahr 2011/12 LVA &

19 Veränderungen durch Mineralneubildungen Bildung von Speichermineralen Ca(OH) 2 wird verbraucht Bildung von Kalzit Abnahme der Eluatkonzentrationen Abnahme des ph- Wertes deutlich weniger Al und Pb im Eluat Karbonatpuffer Verzahnung durch Kristalle Weitere Auswirkungen der Mineralneubildung Zunahme der Druckfestigkeit Erhöhung der Sorptionsfähigkeit, Geringfügige Abnahme der Porosität und Durchlässigkeit Studienjahr 2011/12 LVA &

20 Studienjahr 2011/12 LVA & Wichtige Reaktionen - I Hydratisierung und Al-Oxidation CaO + H 2 O Ca(OH) 2 Ca OH - ph steigt sofort!!! (ph >12) exotherm: + 90 C Al + 3 H 2 O + OH - 3/2 H 2 (g) + [Al(OH) 4 ] - Solange ph-wert >10 ist, bildet sich Wasserstoffgas, exotherm CaSO H 2 O CaSO 4 *2 H 2 O Anhydrit Gips Weiters: NaCl, Na 2 SO 4, KCl, CaCl... lösen sich Auflösung der Salze Leitfähigkeit hoch 2[Al(OH) 4 ] SO OH H 2 O + 6Ca 2+ <---> Ca 6 [Al(OH) 6 ] 2 (SO 4 ) 3 *26H 2 O Ettringit (ph 12-10)

21 Wichtige Reaktionen - II KORROSION VON EISENMETALLEN: 2 Fe + 2H 2 O + O 2 2 Fe (OH) Fe(OH) 3 und Fe 2 O 3 und FeOOH Adsorptionsstellen UMFÄLLUNG VON GIPS: CaSO 4 *2 H 2 O + CO 2 + H 2 O <---> CaCO H 2 O + 2 H + + SO 2-4 senkt den ph-wert KARBONATISIERUNG: Ca(OH) 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O senkt den ph-wert PUFFERWIRKUNG DER KARBONATE: CaCO 3 + H + Ca 2+ + HCO - 3 stabilisiert den ph: 7-8,5 Studienjahr 2011/12 LVA &

22 Studienjahr 2011/12 LVA & Einige Alterungsvorgänge am Beispiel Al Elementares Al ist instabil, aber teilweise passiviert Al + 3 H 2 O + OH- 3/2 H 2 (Gas) + [Al(OH) 4 ] - Eluate frischer MVA-Schlacke enthalten oftmals viel Al Das gebildete, lösliche Hydroxyaluminat und die Ettringit- Kristalle zerfallen später, wenn der ph-wert zurückgeht, z.b.: [Al(OH) 4 ] - + H + = Al(OH) 3 (amorph, fest) + H 2 O Korrosionssäume um Al-Teile enthalten Al(OH) 3 und Al-OH-Sulfate. Langsam entsteht schließlich Gibbsit: Al(OH) 3 (amorph) Al(OH) 3 (Gibbsit, geringere Löslichkeit)

23 Studienjahr 2011/12 LVA & Verwitterung unter CO 2 -Einfluss Pfeile: Löslichkeit bei ph=7,5: ca.0,1 mg/l Aluminium (mg/l) frisch Al(OH) 3 amorph log mg/l , a verwittert Verwitterung Gibbsit 0,01 7,5 8 8,5 9 9, , , ,5 ph

24 Verringerung der Auslaugbarkeit - Blei Studienjahr 2011/12 LVA &

25 Schlackealterung : Aktive Verwitterung = technische Karbonatisierung mit CO 2, CO 2 + Luft, Biogas oder Deponiegas Aufbau eines Karbonatpuffers Vorwegnahme der Wärmebildung verringerter ph (Neutralisation) Bildung von Sorptionsplätzen Mischkristallbildung MVA-Schlacke ist verwertbar / deponiefähig Studienjahr 2011/12 LVA &