Μελέτη της έκπλυσης βαρέων μετάλλων από μίγματα ιπτάμενης τέφρας - ζεολιθικού τόφφου τύπου HEU (Κλινοπτιλόλιθος - Ευλανδίτης).

Περίληψη

Μελετήθηκε δείγμα ιπτάμενης τέφρας από τον ΑΗΣ Αγίου Δημητρίου και δείγμα ζεολιθικού τόφφου τύπου-ΗΕU (κλινοπτιλόλιθος-ευλανδίτης) από συγκεκριμένα συνεχόμενα στρώματα στο ρέμα Ντρίστα των Πετρωτών, του νομού Έβρου. Παρασκευάστηκαν έξι δείγματα (S1-S6) με διαφορετικές εκατοστιαίες κατά βάρος αναλογίες ιπτάμενης τέφρας και ζεολιθικού τόφφου. Από την μικροσκοπική μελέτη του ζεολιθικού τόφφου αναγνωρίστηκαν κρύσταλλοι ζεόλιθου, χαλαζία, αστρίων, μαρμαρυγιών (οπακιτιωμένο βιοτίτη και δευτερογενή μοσχοβίτη), αργιλικών ορυκτών και εξαλλοιωμένης υαλώδους μάζας. Από την κοκκομετρική ανάλυση προέκυψε ότι η ιπτάμενη τέφρα και ο ζεολιθικός τόφφος είναι δύο λεπτόκοκκα υλικά άρα και τα μίγματα τους S3-S6 είναι ομοιογενή. Η ορυκτολογική σύσταση μελετήθηκε με τη μέθοδο της περιθλασιμετρίας ακτίνων-Χ. Η ιπτάμενη τέφρα περιέχει άσβεστο 50% κ.β., ανυδρίτη 14% κ.β., ασβεστίτη 9% κ.β., γκαιλενίτη 7% κ.β., χαλαζία 7% κ.β., μαρμαρυγίες + αργιλικά ορυκτά 1% κ.β. και άμορφο υλικό 14% κ.β. Μετά την έκπλυση λόγω ενυδάτωσης της ιπτάμενης τέφρας σχηματίστηκε ο πορτλανδίτης, ο εττρινγκίτης, η γύψος και ο ορτσαλίτης. Ο ζεολιθικός τόφφος πριν και μετά την έκπλυση περιέχει κλινοπτιλόλιθο 86% κ.β., μαρμαρυγίες + αργιλικά ορυκτά 4% κ.β., χαλαζία 4% κ.β., χριστοβαλίτη + τριδυμίτη 2% κ.β., πλαγιόκλαστο 3% κ.β. και Κ-ούχο άστριο 2% κ.β.. Η παρουσία του ζεολιθικού τόφφου στα μίγματα ευνοεί την μείωση του ποσοστού του πορτλανδίτη, του εττρινγκίτη και του άμορφου υλικού, ενώ οι υπόλοιπες ορυκτολογικές φάσεις μένουν αναλλοίωτες. Από τις χημικές αναλύσεις προέκυψε ότι η ιπτάμενη τέφρα είναι πολύ έως σημαντικά εμπλουτισμένη ως προς τη μέση σύσταση του ηπειρωτικού φλοιού και ως προς την παγκόσμια μέση σύσταση των εδαφών σε CaO και SO3 και σε As, Br, Cd, Cr, Cs, Mo, Ni, Sb Sr, και U. Ενώ ο ζεολιθικός τόφφος είναι πολύ έως σημαντικά εμπλουτισμένος ως προς τη μέση σύσταση του ηπειρωτικού φλοιού και ως προς την παγκόσμια μέση σύσταση των ψαμμιτών σε Ag, As, Ba, Co, Cs,  Pb, Rb, Sr, Th, U και W. Η μέθοδος ηλεκτρονικής μικροσκοπίας με σύστημα μικροανάλυσης (SEM-EDS), έδειξε ότι η ιπτάμενη τέφρα αποτελείται από κενοσωματίδια και ακανόνιστα σωματίδια μεγέθους μικρότερο από 100μm. Ο ζεόλιθος του ζεολιθικού τόφφου είναι κλινοπτιλόλιθος, με ανταλλάξιμα κατιόντα το Ca και το Κ και χημικό τύπο Ca1.8K1.0Mg0.7Na0.5Al6.4Si29.5O72·21H2O. Στα πειράματα έκπλυσης EN-12457 (2003), διαπιστώθηκε ότι η τιμή του pH και της αγωγιμότητας των εκπλυμάτων ελέγχεται από την ιπτάμενη τέφρα. Η ιπτάμενη τέφρα εκπλένεται περισσότερο σε Ca και K ενώ ο ζεολιθικός τόφφους τύπου HEU σε Na και Ca. Ιχνοστοιχεία όπως το Sb, το Cd, το Co, το Mn, ο Mo, το Ni, ο Hg και ο Cu βρίσκονται κάτω του ορίου ανίχνευσης στα εκπλύματα των δειγμάτων.  Το As, το Mo, το Se, ο Fe, το Cr και ο Zn παρουσιάζουν χαμηλές τιμές εκπλυσιμότητας με εξαίρεση το Cr που βρίσκεται στην εξασθενή του μορφή και είναι ιδιαίτερα υδατοδιαλυτό και αρνητική συσχέτιση ως προς την περιεκτικότητα του ζεολιθικού τόφφου. Ιχνοστοιχεία όπως το Cr μπορούν να καθηλωθούν έως και 50% κ.β. στην δομή του ζεολιθικού τόφφου. O ζεολιθικός τόφφος τύπου-HUE (κλινοπτιλόλιθος-ευλανδίτης) μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη μείωση της εκπλυσιμότητας των βαρέων μετάλλων και των τοξικών ιχνοστοιχείων από την ιπτάμενη τέφρα και η αναλογία που προτείνεται είναι 75% ΙΤ-25% ΖΤ.

A sample of fly ash from the power station of Agios Dimitrios and a sample of a HEU-type zeolitic tuff (clinoptilolite-heulandite) from specific continuous layers in the Ntrista stream of Petrota, Evros were studied. Six samples (S1-S6) were prepared with different percentages of fly ash and zeolite by weight. From the microscopic study of the zeolitic tuff, revealed crystals of zeolite, quartz, feldspars, micas (biotite and secondary muscovite), clay-minerals and altered vitreous mass. The granulometric analysis showed that fly ash and zeolitic tuff are two fine particles and their S3-S6 mixtures are homogeneous. The mineralogical composition was studied by the X-ray diffraction method. The fly ash contains 50 wt% lime, 14 wt% anhydride, 9 wt% calcite, 7 wt% gehlenite, 7 wt% quartz, 1 wt% micas + clay-minerals and 14wt% amorphous material. After the leaching experiments portland, ectrinigite, gypsum and ortsalite formed as a result of hydration of fly ash. The zeolitic tuff, before and after leaching contains 86 wt% clinoptilolite, 4 wt% micas + clay-minerals, 4 wt% quartz, 2 wt% cristobalite + tridimite, 3 wt% plagioclase and 2 wt% K-feldspar. The presence of the zeolitic tuff in the mixtures favors the percentage reduction of portlandite, ettrinigite and amorphous material, while the rest of the mineral phases remain unaltered. The chemical analyzes revealed that fly ash is very much enriched compared to the average composition of the continental crust and the global average soil composition in CaO and SO3 and in As, Br, Cd, Cr, Cs, Mo, Ni , Sb Sr and U while the zeolitic tuff is very much enriched compared to the average composition of the continental crust and the global average composition of sandstone in Ag, As, Ba, Co, Cs, Pb, Rb, Sr, Th, U and W. From the microscope electron microscopy (SEM-EDS) method, it showed that fly ash consists of irregularly shaped and cenospheres particles smaller than 100 μm. The zeolite of the zeolitic tuff is clinoptilolite, with exchangeable cations Ca and K and has the chemical formula Ca1.8K1.0Mg0.7Na0.5Al6.4Si29.5O72·21H2O. In the leaching experiments, performed in accordance to the European Standard EN-12457 (2003), it was found that the value of pH and conductivity of the leachates, was controlled by the presence of fly ash in the mixtures. Flying ash is more leached in Ca and K while zeolitic tuff in Na and Ca. Trace elements such as Sb, Cd, Co, Mn, Mo, Ni, Hg and Cu are below the detection limit in the leachate. As, Mo, Se, Fe, Cr and Zn exhibit low leachability, with the exception of Cr(VI), and is highly water soluble and negative correlation with zeolite content. Trace elements such as Cr can be absorbed up to 50% in the structure of the zeolitic tuff. The HUE-type zeolite can be used to reduce the leachability of heavy metals and toxic trace elements from fly ash and the ratio proposed is 75% IT-25% ZT.