3. Tilpasning af elektrokemiske metoder Miljøstyrelsen

Elektrodialytisk rensning af jord fra træimprægneringsgrunde

3. Tilpasning af elektrokemiske metoder

3.1	Forskelle mellem tungmetaller
3.2	Jordparametre med betydning for elektrokemisk rensning
3.3	Forhold af betydning for rensningshastigheden

Siden starten af 1990erne, hvor de første fuldskalaanlæg med elektrokemisk jordrensning blev rapporteret, (Lageman, 1993) har der været en periode, hvor hovedparten af forsøgene er udført i laboratoriet. Dette skyldes sandsynligvis, at de første in-situ resultater var meget varierende, og lå til grund for erkendelsen af, at metoden bør/skal tilpasses hver enkelt sag. I de seneste år er hovedvægten af arbejdet med at udvikle de elektrokemiske metoder således foregået i laboratorieskala, hvor der er blevet arbejdet med at optimere metoderne.

3.1 Forskelle mellem tungmetaller

De fleste tungmetaller så som Cu, Pb og Zn frigives fra jordpartiklerne i øget grad, hvis pH i jorden sænkes. Generelt gælder, at Zn vil frigives ved et højere pH end Cu, som igen vil frigives ved et højere pH end Pb. Når disse tungmetaller er blevet frigivet som resultat af en pH-sænkning, vil de i overvejende grad vandre mod katoden som kationer. Cr opfører sig anderledes, idet oxidationstrinnet for Cr er bestemmende for, om Cr vil vandre mod katoden eller anoden, idet Cr(III) hovedsagelig findes som kationer medens Cr(VI) hovedsagelig findes i negative forbindelser.

For As er oxidationstrinnet er bestemmende for, hvorvidt elementet er mobilt under sure eller basiske forhold. Det kan være nødvendigt at tilføre jorden et additiv hvis As findes som As(VI) – enten et additiv som reducerer As(VI) til As(III) som er mest mobil under sure forhold, eller et additiv, som sikrer høj pH i jorden.

Også for Hg-forurenede jorde er det ikke nødvendigvis nok blot at påtrykke jorden et elektrisk felt, idet Hg ofte findes på metallisk form i jorden, og det metalliske Hg skal oxideres, inden det er mobilt i det elektriske felt. En sænkning af pH kan være med til at opløse en mindre mængde af metallisk Hg, men det er en meget langsom proces (Thöeming et al. 2000). For at oxidere metallisk Hg, kan jorden eventuelt løbende tilsættes hypochlorit, som under en ekstraktionsproces er vist meget effektiv til mobilisering af Hg fra forurenet jord (Thöeming et al. 1998), men additivet er ikke testet i forbindelse med elektrodialytisk/elektrokinetisk jordrensning.

En optimering af rensningsprocessen på baggrund af sammensætningen af de tungmetaller, som jorden er forurenet med, er således nødvendigt, for at opnå et godt rensningsresultat, idet der er tilfælde, hvor det er nødvendigt at tilsætte jorden et additiv.

3.2 Jordparametre med betydning for elektrokemisk rensning

I tabel 3.1 er der en kort oversigt over de jordparametre, som har en generel betydning for tungmetallernes opførsel i en jord. Parametrenes betydning for den elektrokemiske rensningsproces er angivet.

Jordparameter	Betydning for rensningsprocessen
Jordens finfraktion	Det er hovedsagelig i jordens finfraktion, at tungmetallerne bindes. Det er nødvendigt at metoderne kan bryde disse bindinger, for at opnå en god rensningsproces. De fleste laboratorieeksperimenter, som er udført med elektrokinetisk jordrensning, er udført med rensning af lerarten kaolinit, som forinden er blevet forurenet med tungmetaller i laboratoriet. I disse eksperimenter er der opnået gode rensningsresultater, f.eks. fjernelse af 75-95% Pb (startniveau 118-145 mg/kg) (Hamed et al. 1991), 92-100% Cd (start 112 mg/kg) (Acar et al, 1994) og 85-100% Cd, Co, Ni, Sr (start mellem 395 og 1084 mg/kg) (Pamucku et al, 1992). Også fjernelse af Sr fra en anden lerart Na-montmorillionite er vist (Pamucku og Wittle, 1992). Trods det, at de resultater, som er opnået med disse rene lerarter, ikke kan overføres direkte til rensning af inhomogene jordvoluminer, er resultaterne alligevel af betydning, fordi de understreger, at metoderne kan anvendes i de mest finkornede jorde. (Jensen, 2000) lavede en sammenlignende undersøgelse af elektrodialytisk rensning af forskellige danske Pb forurenede jorde og fandt en sammenhæng mellem rensningens hastighed og lerindholdet, idet højt lerindhold gav hurtigst rensning.
Organisk indhold	Tungmetaller binder generelt hårdt til den organiske fraktion af jorden. Der er ikke udført nogen systematiske undersøgelser af, hvordan det organiske indhold influerer på en elektrokemisk rensning, men der er f.eks. med den elektrodialytiske metode renset jord, med organisk indhold på ca. 3%, fra 1400 mg Cu /kg ned til et niveau på <10 mg Cu/kg (Ottosen et al., 1997), så bindingerne til det organiske stof kan brydes. (Jensen, 2000) fandt, at der ikke var nogen sammenhæng mellem det organiske indhold i en jord og rensningshastigheden for Pb forurenede jorde.
Kalkindhold	I kalkholdige jorde reagerer tungmetallerne med kalken. Cu kan f.eks. danne kobberkarbonat. Yderligere har kalkindholdet stor betydning for jordens bufferkapacitet, dvs. at i kalkholdige jorde vil den sure front fra anodesiden udvikles langsomt, og dermed vil rensningsprocessen foregå langsommere. Ellers har kalkindholdet ikke vist sig at have nogen begrænsende effekt på hvilket slutniveau, der kan renses til (Hansen et al., 1997)
Bygningsaffald	Bygningsaffald er almindeligt på nedlagte industrigrunde, og delene vil influere det elektriske felt under elektrokemisk rensning. Metalliske dele vil kortsutte rensningen, fordi den elektriske modstand i metallet er mindre end i jorden, og derfor vil strømmen tendere til at løbe i metallet (Lageman, 1993). Beton har i sig selv et højt pH, og fordi strømmen gerne løber gennem betonen er der risiko for, at tungmetallerne vil akkumulere i betonen pga. den høje pH værdi (Eriksson, 1999). Mursten influerer tilsyneladende ikke rensningen (Eriksson, 1999).

Tabel 3.1:
Centrale parametre for tungmetaltilbageholdelse i en forurenet jord og deres betydning for elektrokemisk rensning

I en specifik sag, er det meget afgørende at undersøge jordens bufferkapacitet. Hvis jorden f.eks. har et højt kalkindhold, så kan det være fordelagtigt at tilsætte en kompleksbinder til jorden, som muliggør en mobilisering af den aktuelle forurening ved et højt pH. På den måde undgås en opløsning af kalken, og det er hensigtsmæssigt, fordi der ellers vil blive spildt meget strøm på at transportere harmløse Ca²⁺ ud fra jorden.

Et eksempel på en sag, hvor en kompleksbinder er hensigtsmæssig er beskrevet i (Ottosen et al., 1998). Her drejer det sig om en jord forurenet med Cu fra kabelproduktion (20.000 mg/kg) med et kalkindhold på 11%. Der blev udført to eksperimenter, som varierede ved, at jorden i det ene eksperiment blev tilsat 2,5% ammoniak, hvor i mod det andet eksperiment blev udført uden ammoniaktilsætning. I eksperimentet med ammoniak var der efter 21 døgn fjernet 77% Cu, medens der i eksperimentet uden ammoniak ikke var blevet fjernet Cu fra jorden totalt set efter 26 døgn. I denne sag var ammoniaktilsætning til jorden altså forskellen mellem succes og fiasko. En jords bufferkapacitet er den mest betydende jordparameter, og jorde med en høj bufferkapacitet kan i de fleste tilfælde med fordel tilsættes et additiv, som kan mobilisere tungmetallet under neutrale til basiske forhold.

Hvis en jord indeholder større mængder af bygningsaffald, bør disse sorteres fra inden rensningen.

Fordi det er så væsentligt at vælge de rigtige rensningsparametre (additiv, strømstyrke, elektrolytter i elektrode- og opkoncentreringskamre samt membrantype) for jorde, som skal renses med den elektrodialytiske metode, er der på DTU blevet lavet en rutine, hvor jorden først karakteriseres mht. nogle nøgleparametre. På baggrund heraf vælges det, hvorvidt jorden skal tilsættes additiv og i bekræftende fald hvilket. Når additivet er valgt, er det vigtigt at have væsker i elektrodekamrene, som virker godt sammen med additivet. Endelig skal der vælges membraner ud fra elektrolytter og additiver, og de elektriske parametre som strømstyrke skal optimeres til det aktuelle system, se figur 3.1.

Figur 3.1:
Valg af rensningsværktøj til specifik jord

3.3 Forhold af betydning for rensningshastigheden

Forhold, som spiller ind på rensningshastigheden, ud over jordtype eller tungmetal, er startkoncentrationen og det ønskede oprensningsniveau, størrelsen af det elektriske felt og jordtemperaturen.

Jo mere forurenet en jord er, jo længere kan rensningsprocessen forventes at vare. I en meget forurenet jord vil der være en øget strømmængde, som bæres af tungmetalioner i forhold til i en mindre forurenet jord, men den strømmængde, som skal til for at nå ned på de ønskede koncentrationer i en meget forurenet jord, er totalt set større.

Sammenhængen mellem strømtætheden i jorden og rensningshastigheden er næsten lineær indenfor et bestemt interval. Den nedre grænse bestemmes af størrelsen af den mindste kraft, som kan få tungmetalionerne til at flytte sig. Den øvre grænse for intervallet bestemmes for elektrokinetisk jordrensning af ionernes maximale hastighed, men for elektrodialytisk jordrensning er det forholdene (strømtæthed, mængde og sammensætning af kationer) ved kationbyttermembranen, som er bestemmende. En tommelfingerregel er, at strømtætheden ikke bør overskride 0,5 mA/cm² i systemer, hvor der ikke bruges additiver i jorden (Ottosen, 2000B).

Temperaturen har betydning for rensningshastigheden. Der er endnu ikke udført nogen systematisk undersøgelse omkring emnet, men (Kristensen, 1999) og (Krause et al, 1995) nåede begge frem til den konklusion, at en øget temperatur kunne afkorte rensingstiden (den højeste temperatur i undersøgelserne var 40° C).

Hvis jorden bundfryser, vil rensningsprocessen uden tvivl gå i stå. Imidlertid lader det til, at blot det, at der løber en strøm gennem jorden, forhindrer den i at fryse. På DTU har der været eksperimenteret med en udendørs opstilling, og i den var jorden ikke frosset selvom lufttemperaturen var under frysepunktet i omkring to uger (Hansen et al, 1998).