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Analytik für Ersatzbaustoffe
(2008)
Antimon (Sb) wird industriell vorwiegend als Flammschutzmittel in Kunststoffen verwendet. Am Ende des Lebenszyklus landet etwa die Hälfte des produzierten Sb, vorwiegend über entsprechend dotierte Kunststoffe, in Haus- und vor allem Industrieabfällen und in der Folge auch in relevanten Mengen in Rostaschen aus der Verbrennung dieser Abfälle.
Zwar werden in den Produkten Sb-Verbindungen in der Oxidationsstufe 3 eingesetzt, in den Aschen liegt Sb jedoch wegen der leichten Oxidierbarkeit überwiegend in der Oxidationsstufe 5 als Oxyanion vor (Sb(OH)6- oder Sb2O74-). Die Freisetzung beim Kontakt mit Wasser ist zunächst gering, weil die Antimonate schwerlösliche Verbindungen mit Ca2+ bilden. Durch die Carbonatisierung der Aschen während der vorgeschalteten Lagerung sinkt der pH-Wert im Eluat. Die Konzentration von Ca im Eluat nimmt mit fortschreitender Elutionsdauer ab, wodurch sich das Lösungsgleichgewicht verschiebt und Antimonate gelöst werden können. Dieses Verhalten wird durch einen Langzeitversuch mit Lysimetern bestätigt. Experimentelle Daten aus unterschiedlichen Elutionstests wurden mit dem Solver-Modul in MS Excel gefittet. Daraus ergibt sich Ca(Sb(OH)6)2xCa0.78(OH)1.56 als mögliche Verbindung für in Rostaschen enthaltenes Ca-Antimonat.
Laut Entwurf der MantelVO ist für Sb in Rostaschen eine Regulierung vorgesehen. Die darin vorgesehenen Grenzwerte könnten ein Problem für Rostaschen darstellen und gefährden die Verwertung der mineralischen Fraktion. In den meisten Bundesländern geschieht der Vollzug derzeit nach dem LAGA Merkblatt M20. Die darin festgelegten Parameter zur Bewertung berücksichtigen im Prinzip nur eine Richtung, bei der sich die Materialeigenschaften im Zuge der Alterung von Rostaschen verbessern. Dieser Zusammenhang ist bei Sb nicht gegeben, was bei der Beurteilung des Gefahrenpotentials aber Berücksichtigung finden sollte. Das entgegengesetzte Verhalten von Sb stellt Aufbereiter und Verwerter möglicherweise vor Probleme. Die Einführung einer Ersatzbaustoffverordnung im Rahmen der MantelVO soll bundeseinheitliche Rechtssicherheit bei der Verwertung von mineralischen Recyclingmaterialien schaffen. Damit würde dann auch eine Grundlage für Investitionen in verbesserte Aufbereitungsverfahren geschaffen werden. Da im Hinblick auf Sb aus dargestellten Zusammenhängen jedoch eher das Gegenteil zu befürchten ist, besteht Forschungsbedarf, um dieses Problem zu lösen.
Due to its large mineral fraction, incineration bottom ash (IBA) from municipal solid waste incineration is an interesting raw material that can be used for road construction or to produce secondary building materials. However, leaching chloride, sulfate, and potentially harmful heavy metals may cause problems in using IBA in civil engineering. Investigating leaching behavior is crucial for the assessment of the environmental compatibility of IBA applications. Various test procedures are available for that purpose. In the present study, a long-term leaching test of a wet-mechanically treated IBA was performed in a lysimeter for almost six years.
While concentrations of chloride, sulfate and the majority of the heavy metals started to decrease rapidly with progressive liquid-to-solid ratio (L/S), antimony (Sb) and vanadium (V) behaved differently. At the beginning of the lysimeter test, the Sb and V concentrations were low, but after approximately one year of operation at an L/S ratio of around 0.8 L/kg, a steady increase was observed. It was shown that this increase is the result of low Ca concentrations due to the formation of CaCO3.
With the data, the solubility products from Ca-antimonate and Ca-vanadate were calculated. The unusual leaching behavior of Sb and V should be kept in mind when considering field scenarios and evaluating the impact on the environment.
Antimony in incineration bottom ash – Leaching behavior and conclusions for treatment processes
(2020)
Antimony (Sb) is used in industrial products mainly as flame retardant in plastic material. Due to such additives in plastics, about a half of Sb ends up in municipal solid waste incineration at the end-of-life and consequently in relevant amounts in the generated bottom ash. In contact with water, the initial leachability is low, as antimonates form sparingly soluble compounds with Ca2+. Following the carbonation of the incineration bottom ash (IBA) during the proceeding ageing the pH in the leachates decreases. With decreasing concentration of Ca in the eluate the solution equilibrium changes and antimonates dissolve. In Germany it is intended to regulate Sb in IBA with the planned implementation of the so called Mantelverordnung (MantelVO, containing provisions on the utilisation of mineral waste) in the near future. The limit values set in the draft might be critical for IBA and therefore pose a risk for the utilisation of the mineral fraction of IBA in the well-established recycling routes.
Für eine detaillierte Analyse der Gefüge- und Porenstruktur weitgestufter Erdstoffe ist es notwendig, diese dreidimensional (3D) zu visualisieren und ihre Kenngrößen zu ermitteln. Dazu wurde an der BAM eine Präparationsmethode entwickelt, die es ermöglicht die Porenstruktur von Probenkörpern aus suffosiven Erdstoffen und definierten Korngrößenverteilungen über CT-Aufnahmen abzubilden. Über eine eigens dafür, in Zusammenarbeit mit dem Zuse-Institut Berlin (ZIB), entwickelte Bildanalysemethode wurden die Strukturdaten visualisiert. Aus dem Bilddatensatz konnte bereits in der Rückwärtsrechnung eine Kornverteilungslinie zur Validierung generiert und mit experimentell ermittelten Sieblinien verglichen werden. Des Weiteren wurden in Säulenexperimenten Kornumlagerungsprozesse unter der Verwendung von CT-Aufnahmen beobachtet.
Als eine weitere Möglichkeit zur Beschreibung von Gefüge- und Porenstrukturen wurden Kugelpackungen modelliert und deren Strukturdaten ermittelt. Mit einem an der HTWK entwickelten stochastisch-heuristischen Algorithmus lassen sich wirklichkeitsnahe 3D-Gefügemodelle aus kugelförmigen Feststoffpartikeln generieren. Die Kornverteilung ist dabei wählbar. Für die erstellten Gefügemodelle kann der vollständige Porengraph einschließlich der Porengrößen und Engstellen ermittelt und ausgelesen werden.
Ein an der BAM entwickelter und durch die BUW erweiterter Säulenversuch unter Verwendung systematisch veränderter Korngemische von natürlichen Gesteinskörnungen und Glaskugeln ergab weitere Aufschlüsse über die strukturbildenden Fraktionen des Korngerüstes.
Die Perkolationstheorie ist eine moderne wahrscheinlichkeitstheoretische Methode, um Fluss- und Transportvorgänge innerhalb poröser Medien zu simulieren. Über Porennetzwerkmodelle werden die komplexen Fließwege in der Porenstruktur vereinfacht abgebildet. An der BUW wurde ein 3D-Bond-Perkolationsmodell auf einem simplen kubischen Gitter realisiert, in dem die Gitterknoten die Poren und die Gitterstäbe die Porenengstellen repräsentieren. Lokale und globale Strukturveränderungen infolge Partikeltransports werden über die Analyse von Porenräumen beschrieben. Mit diesem Perkolationsmodell können Aussagen zur lokalen und globalen Strukturveränderung durch Partikeltransport in definierten Bodenvolumen abgeleitet werden. Die hergeleiteten Zusammenhänge zu den suffosiven Materialtransportbedingungen mit der Perkolationstheorie sind für homogene, isotrope und selbstähnliche Erdstoffgefüge gültig.
Half of global material consumption involves mineral material. The circularity is still low so that the enhanced use of secondary building material is required to close loops. Three different secondary building materials are discussed based on exemplary research results: construction and demolition waste (C&D waste), soil-like material, and incineration bottom ash (IBA). Focus was placed on the environmental compatibility of the materials examined mainly by standardized leaching tests. C&D waste was investigated after a wet treatment using a jigging machine, and soil-like material and IBA were characterized with respect to their material composition. Their environmental compatibilities in particular were studied using standard leaching tests (batch tests and column tests).
It was concluded that soil-like material can mostly be utilized even when the precautionary limit values set are exceeded by a factor of less than two. For C&D waste, the fine fraction below 2 mm and the content of brick material is problematic. IBA fulfills quality level “HMVA-2” following German regulations. Improved levels of utilization might be achievable with better treatment technologies.
Um den Erfordernissen des Grundwasser- und Bodenschutzes zu entsprechen ist die Kenntnis des Elutionsverhaltens von Abfall- und Bodenmaterialien erforderlich, wenn diese z.B. zur Verwertung im Straßen- oder Landschaftsbau vorgesehen sind. Im Zusammenhang mit der Novellierung der Bundes-Bodenschutzverordnung und der Einführung der Ersatzbaustoffverordnung sowie in Auswertung der Ergebnisse des BMBF-Verbundvorhabens „Sickerwasserprognose“ wurden vom DIN-Normenaus-schuss Wasserwesen, Unterausschuss „Eluierungsverfahren“ zwei Verfahren zur Elution von Fest-stoffen erarbeitet, die im Oktober 2007 als Entwürfe veröffentlicht wurden. Dabei handelt es sich um ein Säulenperkolationsverfahren zur gemeinsamen Untersuchung des Elutionsverhaltens von orga-nischen und anorganischen Stoffen (E DIN 19528) und ein Schüttelverfahren mit einem Wasser-/ Feststoff-Verhältnis (W/F) von 2 l/kg zur Untersuchung der Elution von anorganischen Stoffen (E DIN 19529). Beide Verfahren sind für Bodenmaterialien und mineralische Abfälle mit einer Korngröße bis 32 mm vorgesehen.
Für Normen die in Verordnungen zitiert werden sollen, ist eine Verfahrensvalidierung erforderlich. Im Rahmen dieses Vorhabens waren die Verfahrenskenndaten auf der Grundlage von Ringversuchen zu ermitteln. Zunächst wurden vier für die Verordnungen relevante Materialien (Hausmüllverbrennungs-asche, Recyclingbaustoff, Bodenmaterial, Stahlwerksschlacke) als Referenzmaterialien (RM) aufberei-tet. Die zu analysierenden Parameter wurden unter Berücksichtigung der Regelungsrelevanz in Abstimmung mit dem Auftraggeber ausgewählt. Die RM wurden gemeinsam mit Referenzlösungen an die 53 Teilnehmer der Ringversuche ausgegeben. Die statistische Auswertung der Ringversuchsergebnisse erfolgte nach DIN 38402-42, wobei der Gesamtmittelwert aller Teilneh-mer als Sollwert herangezogen wurde.
Es konnte gezeigt werden, dass akzeptable Reproduzierbarkeiten für organische und anorganische Schadstoffe durch geeignete Vorgaben sowohl für Schütteltests als auch für Säulenversuche erzielt werden können. Dies gilt insbesondere unter Berücksichtigung des breiten Korngrößenspektrums der RM, der relativ hohen zugelassenen Toleranzen für das W/F bei den Säulenversuchen und des kurzen Bekanntheitsgrades der Normenentwürfe.
Die ermittelten Verfahrenskenndaten finden Eingang in die abschließende Bearbeitung der Normen.
When reusing or disposing of contaminated granular waste materials there is a need to evaluate how the contaminants will interact on the pathway soil-groundwater and the effect this interaction will have on the surrounding environment. While column testing can provide a closer approximation to field percolation conditions than batch testing, there is still a need to develop column testing procedures that consider the requirements of practical testing time frames. This study evaluates the effect of different column contact times (2.5, 5, and 16 h) on the release of inorganic constituents from bottom ash and demolition waste, two commonly reused granular materials. Leaching data for representative constituents of concern, such as copper, chromium, sulfate and chloride, as well as pH and electrical conductivity was compared for all different contact times studied.
Results for the materials investigated in this study showed that variations in contact time have no significant effect on the release of the selected constituents and leaching parameters at low liquid to solid ratios. However, after a liquid to solid ratio of 1 L/kg, the effect is more noticeable, and higher contact times show lower pH values as well as a reduction in the release of constituents of concern from bottom ash. In the case of demolition waste, the variation of contact time did not have a strong effect on the leaching behavior.
Im Rahmen eines ZIM-geförderten Projektes wurde eine nass-mechanische Aufbereitung von Hausmüllverbrennungsasche (HMVA) hinsichtlich der Mengen und der Qualitäten generierter Fraktionen optimiert. Dabei standen besonders die Qualitäten der mineralischen Fraktionen, die mengenmäßig den größten Anteil darstellen, im Vordergrund, da sie für einen möglichen Einsatz als Baustoff nutzbar gemacht werden sollen. Insbesondere die Chlorid- und Sulfatgehalte sollten dafür reduziert werden. Durch die BAM wurde im Projekt u. a. die Freisetzung von umweltrelevanten Stoffen in den mineralischen Fraktionen untersucht. Dafür wurden Schütteleluate als Übereinstimmungstest und Eluate aus Lysimeterversuchen im Labormaßstab zur Bewertung des Langzeitverhaltens auf ihre Inhaltsstoffe analysiert.
Wie können industriell synthetisierte Schadstoffe aus einer Stoffklasse quantifiziert werden, deren genauer Umfang unbekannt ist und auf mehrere tausend Verbindungen geschätzt wird? Im Falle der per- und polyfluorierten alkylierten Substanzen (PFAS) stellen sich Wissenschaftler*innen weltweit seit über zehn Jahren diese Frage. Neben der etablierten Methodik der Einzelstoffanalytik (engl. target analytic) existieren Summenparameteranalysen zur Quantifizierung
organisch gebundener fluorierter Verbindungen in Umweltmedien und Konsumprodukten. An der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) beschäftigen wir uns mit der Weiterentwicklung von Summenparametermethoden am Beispiel von PFAS-belasteten Umweltkompartimenten wie Böden, Klärschlämmen und Gewässerproben sowie PFAS-haltigen Konsumgütern. In diesem Beitrag stellen wir zwei ausgewählte Fallbeispiele vor und diskutieren die Vor- und Nachteile der Methoden im Vergleich zur Einzelstoffanalytik.