Teil 1: Unspezifische Interaktionen

'(321,(
Zum Einfluß organischer Schadstoffe auf
Deponietone
- Teil 1: Unspezifische Interaktionen Reinhard Wienberg
Bei den Wechselwirkungen organischer Substanzen mit Tonpartikelchen lassen sich unspezifische und spezifische Interaktionen
unterscheiden. Unter den unspezifischen Interaktionen werden in dieser Arbeit alle diejenigen Wechselwirkungen zusammengefaßt, bei
denen die Tone in ihrem kolloidchemischen Verhalten, nicht jedoch in ihrer Struktur oder im Mineralbestand durch die Schadstoffe bzw.
ihre Lösungen beinflußt werden. Dies hat Einfluß auf solche Größen wie die Durchlässigkeit, das Sedimentationsvolumen und die
Zustandsgrenzen der Tone. Bei den spezifischen Wechselwirkungen, die im zweiten Teil dieser Arbeit behandelt werden, kommt es
dagegen zur direkten Ausbildung von sorptiven und/oder chemischen Bindungen mit den Feststoffphasen. Diese können z.B. die
Löslichkeit der neugebildeten Phase heraufsetzen (dies wäre ein lösender Angriff) oder aber durch Modifizierung der Oberflächen (z.B.
durch eine Hydrophobierung) die Eigenschaften stark verändern.
1.
Die diffuse Doppelschicht
Die Tonpartikelchen stellen negativ geladene Kolloidteilchen dar. Die negative Oberflächenladung entsteht zum
einen durch isomorphen Ersatz von höherwertigen durch
niedrigerwertigen Kationen in der Kristallstruktur, zum
anderen durch Dissoziation von Protonen von oberflächennahen OH- bzw OH2 Gruppen. Zur Kompensation werden
equivalente Mengen von Kationen gemeinsam mit H2OMolekülen als positiv geladene Schicht an der Mineraloberfläche angereichert (Bild 1).
Die negativ geladene Oberfläche und die positiv geladene
Schicht von Gegenionen bilden gemeinsam die Doppelschicht. Nach dem Modell von Gouy und Stern besteht die
Kationenschicht aus einem fest haftenden geordneten Teil
unmittelbar an der Oberfläche des Minerals (Stern-Schicht)
und einem locker haftenden, diffusen Teil (diffuse Doppelschicht) im Anschluß daran, dessen Kationenkonzentration
nach außen hin exponentiell abnimmt.
Umgekehrt ist die Konzentration der Anionen in der SternSchicht praktisch null und steigt mit zunehmender Entfernung langsam an. Wo Anionen- und Kationenkonzentration
den gleichen Wert erreichen, beginnt die Gleichgewichtslösung (1).
Dieses Modell macht es verständlich, daß auch die elektrochemischen Eigenschaften der Lösungsphase für die Ausbildung der Grenzflächen und somit der Größe und Struktur der diffusen Doppelschicht eine wesentliche Rolle spielen. Alle Vorgänge, die die elektrischen Eigenschaften der
Doppelschicht verändern, können auch die makroskopische
Struktur und physikalische Eigenschaften der Tone verändern.
$EIDOOZLUWVFKDIWV-RXUQDO 1U Bild 1: Ionenverteilung (oben) und Konzentrationsverlauf
(unten) in der elektrischen Doppelschicht eines
Tonminerals nach den Modell von Gouy und
Stern (aus (1))
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Im Schwarzen Grund 20, 1000 Berlin 33
2.
Einfluß der Polarität der Lösungsphase
auf die Doppelschicht
Als wichtigste, unspezifische Eigenschaft wirkt die Polarität der Lösungsphase (augedrückt als ihre Dielektrizitätskonstante) auf die Ausbildung der Doppelschicht ein.
Einige organische Schadstoffe, die eine geringere Polarität
als Wasser besitzen, können zu einer erheblichen Steigerung der Durchlässigkeit toniger Böden führen. Bereits
1954 konnte gezeigt werden, daß bei Kaolinit, beaufschlagt
mit unpolaren organischen Flüssigkeiten, ein Kollaps der
Doppelschicht erfolgt, und die Tonpartikelchen ausflockten
(2). Dies verursacht hohe Werten in der Durchlässigkeit. In
allen Fällen führte eine niedrige Dielektrizitätskonstante
der Flüssigkeit zum Kollaps der Doppelschicht (2-5).
3. Durchlässigkeitsuntersuchungen
Untersuchungen über die Durchlässigkeit verschiedener
Tone bei Beaufschlagung mit organischen Lösungen bestätigen generell die erhöhte Durchlässigkeit bei geringer
Dielektrizitätskonstanten.
Im einzelnen lassen sich jedoch sehr unterschiedliche Effekte feststellen, je nach Material, Versuchsaufbau und
Vorbehandlung.Im folgenden sollen einige wichtige Arbeiten referiert werden.
Diese Erscheinungen werden verständlich, wenn man die
zwischen den Tonpartikeln wirkenden Kräfte betrachtet.
Zum einen findet eine gegenseitige Anziehung durch van
der Waalsche Kräfte statt. Dabei kann es sich um Ion-Dipol
oder Dipol-Dipol-Interaktionen handeln. Darüber hinaus
können Coulombsche Kräfte zwischen negativen Schichtladungen und positiven Kantenladungen der Tonplättchen
wirken, weiterhin kommen Bindungen durch zwischengelagerte Kationen oder Wasserstoffbrücken in Frage. All
diese anziehenden Kräfte sind relativ wenig durch die
Chemie des umgebenen Mediums zu beeinflussen.Wesentlich sensitiver auf die chemischen Randbedingungen reagieren die abstoßenden Kräfte. Sie resultieren überwiegend aus den Interaktionen von Doppelschichten. Die Dicke der Doppelschicht ist zum einen von der
Ladungsdichte der Partikeloberflächen abhängig, zum
anderen nach folgender Gleichung näherungsweise anzugeben (6,7):
H
f
DT
k
2
no v 2
Bild 2 : Durchlässigkeit und Durchbruchkurven von vier
mit Heptan durchströmten Tonböden (aus (9))
mit H als relativer Dicke der Doppelschicht, D als
Dielektrizitätskonstante des flüssigen Mediums, T ist die
Temperatur, no die Elektrolytkonzentration, v die Wertigkeit der Kationen und k schließlich eine Konstante, die
ungefähr 0,5 beträgt.
Veränderungen der Dicke der Doppelschicht stehen also in
einem direkten Zusammenhang mit den abstoßenden Kräften zwischen den Tonpartikeln; sie haben damit auch direkten Einfluß auf das Mikrogefüge und alle damit zusammenhängenden Erscheinungen wie Wasserdurchlässigkeit oder
Zustandsgrenzen usw.. Bezüglich organischer Schadstoffe soweit nicht spezifische Interaktionen vorherrschen - weist
die Gleichung die Dielektrizitätskonstante als "Meisterfaktor" aus. Generell führt eine Abnahme der Dielektrizitätskonstanten zu einer Verkleinerung der diffusen Doppelschicht; als Ergebnis kommt es zur Ausflockung der Tonpartikel und erhöhter Wasserdurchlässigkeit, bei quellfähigen Tonen zusätzlich zum starken Schrumpfen.
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Relativ großes Aufsehen verursachten Anderson & al (8)
mit einer der ersten Arbeiten über den Enfluß organischer
Flüssigkeiten (Essigsäure, Anilin, Xylol, Methanol) auf
Tondichtungen für Deponien. Bei Essigsäure fand sich eine
starke Abnahme der Durchlässigkeit; es fanden sich im
Eluat Partikelchen und das Eluat war stark gefärbt, so daß
die Autoren von lösenden Angriffen auf den Boden ausgingen und die verringerte Durchlässigkeit mit Verstopfung
der Poren durch erodiertes Material interpretierten.
In allen anderen Fällen fand sich eine starke Durchlässigkeitssteigerung, z.T. bis um zu 3 Zehnerpotenzen (8). Bei
späteren Arbeiten der gleichen Autoren mit Heptan, Glycol
und Aceton an Tonböden (9) (Bild 2) und mit Methanol
und Xylol mit einem Boden-Bentonit Gemisch (10) zeigte
sich ebenfalls diese stark erhöhte Durchlässigkeit.
$EIDOOZLUWVFKDIWV-RXUQDO 1U 3.1.
Einfluß der Versuchsanordnung auf
die Durchlässigkeit
Einen erheblichen Einfluß auf die Versuchsergebnisse hat
die gewählte Versuchsanordnung. Während in der Triaxialzelle durch den aufgebrachten vertikalen Druck und
den Zelldruck das Material leichten Schrumpfungen plastisch folgt, ist dies im Kompressions-Durchlässigkeitsmeßgerät bzw. in der Festbettzelle (Ödometer) nicht im
gleichen Maße der Fall, so daß Schrumpfrißbildung oder
Wandumläufigkeiten zu erheblichen Durchlässigkeiten
führen können.
Mit kaolinitischem Material fand z.B. Konodromus bei Beaufschlagung mit Hexan unter Verwendung eines Ödometers eine erhebliche K-Wert-Zunahme, deren Ursache bei
genauerer Untersuchung Wandumläufigkeiten waren (11).
Vergleichende Untersuchungen mit allen drei Versuchsanordnungen wurden von mehreren Autoren (12-15) durchgeführt.
Wie Bild 3 zeigt, ist bei Durchströmung von Kaolinit mit
Aceton bei Verwendung einer Festbettzelle eine Zunahme
der Durchlässigkeit um fast zwei Zehnerpotenzen festzustellen; beim Einsatz einer Triaxialzelle sind die
Durchlässigkeiten nur noch geringfügig erhöht.
3.2.
Feldversuche mit Lysimetern mit Durchmessern von 1,8 m
und Xylol wurden bei einem hydraulischen Gradienten von
7 von (16) durchgeführt. Parallel dazu wurden mit dem
gleichen Boden Laboruntersuchungen zur Durchlässigkeit
durchgeführt. Im Labor zeigte sich eine um drei bis vier
Zehnerpotenzen erhöhte Durchlässigkeit. Auch im Feldversuch war die Durchlässigkeit erhöht, allerdings nur um
zwei bis drei Zehnerpotenzen. Es konnte beobachtet werden, daß das Xylol sich durch bevorzugte Sickerwege und
nicht durch den gesamten Boden bewegte.
3.3.
$EIDOOZLUWVFKDIWV-RXUQDO 1U Einfluß der Vorbehandlung auf die Durchlässigkeit
Die Versuchsergebnisse werden auch wesentlich von der
Vorbehandlung mitbestimmt. Fernandez und Quigley (17)
führten in Festbettzellen Durchströmungsversuche mit
Benzol, Cyclohexan und o-Xylol bei einem hydraulischen
Gradienten von 500 durch. Vorangegangen war jeweils
eine Durchströmung mit 0,01 N Calziumsulfatlösung. In
keinem Fall war irgend ein Effekt festzustellen. Allerdings
war der Durchbruch von Benzol bereits nach 0,28 Porenvolumina erfolgt. Auch als nur noch reines Benzol eluiert
wurde, bestand die Porenlösung noch zu 92 % aus Wasser
und nur zu 8 % aus Benzol. Dies zeigt, daß offensichtlich
die organische Phase nur durch wenige große miteinander
in Verbindung stehende Poren strömt, und weite Bereiche
des Materials nicht benetzt werden. Läßt man jedoch auf
das Wasser zunächst Methanol folgen und eluiert erst dann
mit der gering wasserlöslichen Phase, zeigt sich das erwartete Bild wie in Bild 4: offensichtlich werden nun alle
Oberflächen benetzt. Durch die niedrige Dielektrizitätskonstante des Mediums kommt es zum erwarteten Kollaps
der diffusen Doppelschicht und somit erheblich höherer
Durchlässigkeit (17). Bei Elution in der umgekehrten Reihenfolge, Benzol -> Methanol-> Wasser, erfolgt, genau wie
zu erwarten, wieder eine Abnahme der Durchlässigkeit um
fast vier Zehnerpotenzen.
3.4.
Bild 3: Durchlässigkeit und Durchbruchkurven vin einem
mit Aceton durchströmten kaolinit bei Verwendung einer Festbettzelle und einer TriaxialDurchlässigkeitszelle mit variiertem Zelldruck
(aus (7))
Feldversuche
Einfluß der
Konzentration wäßriger Schadstofflösungen
auf die Durchlässigkeit
Mehrere Arbeiten beschäftigen sich mit wässrigen Lösungen der Schadstoffe. Wenn die Effekte tatsächlich maßgeblich mit der Dielektrizitätskonstanten zusammenhängen,
sollte sich dies bei mit Wasser mischbaren Organika, eingesetzt in verschiedener Konzentration, zeigen lassen. Derartige Versuche wurden u.a. von (4) mit Ethanol und Dioxan durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Bild 5 für Dioxan
dargestellt. Es zeigt sich, daß mit steigender Konzentration
zunächst eine Abnahme der Durchlässigkeit erfolgt; erst ab
rund 80 % Dioxan bzw. Methanol nimmt die Durchlässigkeit weit über das Anfangsmaß hinaus zu. Die anfängliche
Abnahme erklären die Autoren mit der zunehmenden Viskosität der Lösung und Behinderung der freien Durchströmung der Poren. Bezieht man nämlich nicht auf die Durch
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Tabelle 1: Resultate von Messungen der Durchlässigkeit mit verschiedenen Chemikalien (aus (18))
SubstanzKlasse
Substanz
Bodentyp
BodenZustand
Konzentration
Permeameter
Einfluß auf die
Durchlässigkeit
Einfluß auf Probe,
Bemerkungen
Kohlenwasserstoffe
und
Verwandte
Heptan
Natürl. Böden:
kalkfrei. Smectit,
kalkhalt. Smectit
Kaolinit, Illit
kompaktiert
rein
RW
102 bis 103 x Zunahme
Es bilden sich blöckige Strukturen; Durchlässigkeits- und
Durchbruchkurven
(Bild 2)
Kaolinit aus Georgia
kompaktiert
rein
FW
RW
Natürl. Böden:
Illit-Chlorit
53 mg/l
FW
RW
102 x Abnahme
250 - 660 x
Zunahme
kein Einfluß
kein Einfluß
(9)
(15)
Große Poren und Risse gebildet
kein Einfluß
kein Einfluß
Cyclohexan
Natürl. Böden:
Illit -Smectit
kompaktiert
rein
RW
kein Einfluß
Benzol
Natürl. Böden: Illit
-Smectit
kompaktiert
rein
RW
kein Einfluß
Kaolinit aus
Georgia
kompaktiert
rein
0,1%
FW
103 x Abnahme
leichte Abnahme
Natürl. Böden:
kalkfrei, Smectit,
kalkhalt. Smectit
Kaolinit, Illit
kompaktiert
rein
RW
102 bis 103 x
Zunahme
Es bilden sich blöckige
Strukturen
(9)
kalkhaltiges
Smectit-BodenBentonit-Gemisch
Suspension
rein
RW
DR
102 bis 103 x Zunahme
9 % Bentonit
(10)
Natürl. Böden:
Kaolinit, Glimmer
Bentonit
kompaktiert
rein
RW
102 bis 103 x Zunahme
1,8 m Durchmesser FreilandLysimeter, Gradiert l=7.
Bildung von Rissen
(16)
Natürl. Böden:
Illit-Smectit
kompaktiert
rein
RW
kein Einfluß
Tetrachlormethan
Sand-BentonitGemisch
konsolidierte
Suspension
rein
720 mg/l
FW
102 x Zunahme
kein Einfluß
7 % Bentonit
(24)
Trichlor
ethen
Kaolinit
aus Georgia
kompaktiert
rein
FW
102 - 103 x
Abnahme
140-500x
Zunahme
kein Einfluß
kein Einfluß
kein Durchfluß durch die Poren
Bildung von Rissen
(15)
Xylol
(Dimethylbenzol)
RW
1.100 mg/l
Natürl. Boden:
Illit-Chlorit
Alkohole
und
Quelle
FW
RW
(17)
Nur 8% des Poremwassers
durch Benzol ersetzt. Siehe
Bild 4 u. Text für sequentielle
Effekte
(17)
(14)
(17)
Nitrobenzol
Kaolinit
aus Georgia
kompaktiert
rein
0,1%
FW
103 x Abnahme
leichte Abnahme
(14)
Methanol
Kaolinit
aus Georgia
kompaktiert
rein
FW
RW
(15)
20%, 40%
60%, 80%
FW
RW
kein Einfluß
7,5 - 44 x
Zunahme
kein Einfluß
kein Einfluß
Phenole
Natürl. Boden:
Illit-Chlorit
Natürl. Böden:
kalkfrei, Smectit,
kalkhalt. Smectit
Kaolinit, Illit
kompaktiert
rein
RW
103 x Zunahme
Es bilden sich große Poren
und Risse
(9)
kalkhaltiges
Smectit-BodenBentonit-Gemisch
Suspension
rein
RW
DR
103 x Zunahme
9 % Bentonit
(10)
Natürl. Böden: Illit
Smectit
kompaktiert
rein
RW
10 x Zunahme
94 % der Porenflüssigkeit verdrängt
(17)
Ethanol
Natürl. Böden: Illit
Smectit
kompaktiert
rein
RW
10 x Zunahme
Siehe Bild 4; 103 x Zunahme
wenn auf Ethanol Benzol folgt
(17)
Ethylenglykol
Natürl. Böden:
kalkfrei, Smectit,
kalkhalt. Smectit
Kaolinit, Illit
kompaktiert
rein
RW
102 x Zunahme
Anfänglich nimmt die Durchläsigkeit ab
(9)
Phenol
Kaolinit
aus Georgia
kompaktiert
rein
0,1 %
FW
2 x Zunahme
leichte Abnahme
(14)
FW: Triaxialzelle; C: Consolidometer; RW: Festbettzelle, DR: Festbett-Doppelringzelle
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$EIDOOZLUWVFKDIWV-RXUQDO 1U Tabelle 1: Resultate von Messungen der Durchlässigkeit mit verschiedenen Chemikalien (aus (18))
SubstanzKlasse
Substanz
Bodentyp
BodenZustand
Konzentration
Permeameter
Einfluß auf die
Durchlässigkeit
Einfluß auf Probe,
Bemerkungen
Ether
1,4-Dioxan
Kaolinit
konsolidierte
Suspension
rein
C
20 - 30 %
Zunahme
Anfangs in Dioxan angesetzte
Proben zeigten viel höhere
Durchlässigkeit
Aceton
glimmerfähig
kompaktiert
rein
75 %
2 %,12,5%
25%,50%
RW
102 x Zunahme
10 x Zunahme
kein Einfluß
kein Einfluß
kaolinitisch
kompaktiert
rein
RW
102 x Zunahme
(22)
Kaolinit, aus Georgia
kompaktiert
rein
rein
0,1 %
RW
RW
FW
102 x Zunahme
2 x Zunahme
leichte Abnahme
(14)
naütrl. Böden:
kaolinitisch
Glimmer, Bentonit
kompaktiert
rein
RW
10 Zunahme
Natürl. Böden:
kalkfrei. Smectit,
kalkhalt. Smectit
Kaolinit, Illit
kompaktiert
rein
RW
Mischungen von
Na-Montmorillon.
Kaolinit u. Sand
kompaktiert
rein
Sand/BentonitGemisch
konsolidierte
Suspension
Natürl. Böden:
kalkfrei. Smectit,
kalkhalt. Smectit
Kaolinit, Illit
Organische
Basen
Organische
Säuren
Gemische
von
Chemikalien
Anilin
Essigsäure
Xylol
Aceton
(2)
(21)
1,8 m Durchmesser FreilandLysimeter, Gradient l = 7
Laborversuch
(16)
10 bis 103 fache
Zunahme
Schwinden und Risse;
anfänglich Abnahme der
Durchlässigkeit
(9)
FW
C
2 x bis 10 fache
Zunahme
Zunahme hängt von der Aktivität der Bodenmischung ab
(23)
rein
30 g/l
15 g/l
FW
104 x Zunahme
kein Einfluß
kein Einfluß
kompaktiert
rein
RW
102 x Zunahme
Es bilden sich großen Poren
und Risse; anschließende
Durchströmung mit Wasser
bewirkt 10-fache Abnahme
(9)
Kaolinit aus
Georgia
Illit-Chlorit
Naturl. Boden
kompaktiert
rein
FW
RW
FW
RW
leichte Abnahme
2 x Zunahme
leichte Abnahme
leichte Abnahme
Poren wurden durch Ausfällungen verstopft
pH Ablauf > pH Zulauf
(15)
Sand/BentonitGemisch
konsolidierte
Suspension
verdünnt
pH 1
FW
kontunuierlich
leicht zunehmend
pH Ablauf > pH Zulauf
(24)
Natürl. Böden:
kalkfrei. Smectit,
kalkhalt. Smectit
Kaolinit, Illit
kompaktiert
rein
RW
10 bis 103 fache
Abnahme
Calziumcarbonat und Eisenoxide werden gelöst; Poren
werden durch erodierte Bodenteilchen verstopft
(9)
Natürl. Böden
Kaolinit
Illit
Smectit
kompaktiert
5%
RW
10 x Zunahme
Essigsäure + Propionsäure,
0,2% des Aluminium und 0,8%
des Silicium werden innerhalb
300 Tage herausgelöst
(25)
glimmerhaltiger
Boden
konpaktiert
reines
Xylol;
Aceton
12,5%;25%
50% 75%
90% 100%
RW
verdünnt
RW
20%, 40%
60%, 80%
Na-Acetat
Glycin
Essigsäure
Salicyls
Natürl. Böden:
Kaolinit
Illit
Smectit
kompaktiert
5% NH4
Cu-Tetramin
Ni-Hexamin
Natürl. Böden:
Kaolinit
Illit
Smectit
kompaktiert
10 x Zunahme
Quelle
3
(21)
102 x Zunahme
10 bis 15 fache
Zunahme
10 x Zunahme
kein Einfluß
kein Einfluß
verdünnt
RW
10 x Zunahme
kein Einfluß
kein Einfluß
kompaktiert
verdünnt
(24)
FR
RW
C
kein Einfluß
kein Einfluß
kein Einfluß
“Syntetisches saures Deponiesickerwasser”
(25)
“Syntetisches saures Deponiesickerwasser”
(25)
Durchlässigkeit bei RW un C
höher als in FW
(26)
FW: Triaxialzelle; C: Consolidometer; RW: Festbettzelle, DR: Festbett-Doppelringzelle
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gesetzt. Die Versuche wurden sowohl mit Triaxialzellen als
auch mit Festbettzellen durchgeführt. Die Autoren kommen
zu folgendem Ergebnis: "Das Verhalten der Tonböden
gegen die verschiedenen Abfalllösungen war vollständig
das gleiche wie das gegen Wasser. Dies überrascht auch
nicht, wenn man bedenkt, daß die Dielektrizitätskonstanten
der Abfallösungen praktisch identisch mit derjenigen des
Wassers waren" (19).
4.
Einfluß organischer Schadstoffe auf die Zustandsgrenzen
Bei der letztgenannten Arbeit wurden neben der Durchlässigkeit auch die Zustandsgrenzen der geprüften Tonböden bestimmt. Wie Tabelle 2 zeigt, ist ein schwacher Einfluß der wässrigen Schadstofflösungen bzw. Müllsickerwässer - wenn überhaupt signifikant - lediglich bei einem
Boden (derjenige mit dem höchsten Smectitanteil) und bei
5 % Methanol festzustellen. Im Gegensatz dazu beeinflußt
reines, konzentriertes Methanol bzw. Xylol die Konsistenz
entscheidend: die Böden waren nicht mehr plastisch.
Tabelle 2: Zustandsgrenzen (in % Wassergehalt) von
Tonböden, beaufschlagt mit Methanol und
Xylol, verschiedenen Müllsickerwässern (L1L3), sowie einem mit Xylol, Trichlorethen und
Chloroform aufgestockten Müllsickerwasser
(aus (19))
Boden S1
Bild 4: Durchlässigkeit und Durchbruchkurven von
einem in der Sequenz Wasser Ethanol
Benzol durchströmten illitisch/smectitischen
Tonboden (aus (17))
Ú
Ú
lässigkeit, sondern rechnet die Viskosität heraus und bezieht auf die sog. intrinsische Durchlässigkeit, so
verschwindet die anfängliche erniedrigte Durchlässigkeit.
Demnach wäre bis zu hohen Konzentrationen von Methanol und Dioxan mit keinen wesentlichen Effekten zu rechnen. Zu ähnlichen Folgerungen kommen mehrere weitere
Arbeiten. In Tabelle 1 aus (18) finden sich die bis dato
geprüften Chemikalien in reiner Form oder in wässriger
Lösung und die festgestellten Effekte bzgl. der Durchlässigkeit. Der Autor dieser Zusammenstellung kommt zum
Ergebnis, daß Substanzen mit geringer Wasserlöslichkeit
kaum einen Einfluß haben. Bei gut mischbaren Substanzen
treten Effekte erst bei Konzentrationen über 75-80 % auf.
In einer weiteren neueren Arbeit wurde mit wässrigen Lösungen von Xylol (196 mg/l), Trichlorethen (200 mg/l) und
Chloroform (200 mg/l) gearbeitet (19). Außerdem wurde
das Sickerwasser einer Hausmülldeponie mit diesen Stoffen
versetzt. Schließlich wurde eine 5 % Methanollösung ein-
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Flüssigkeit
wL
H2O
5% Methanol
196 mg/l Xylol
wP
Boden S2
lP
wL
52 20
50 25
51 24
32
25
27
Methanol
Xylol
34 np
29 np
L1
L2
L3
Ll aufgestockt
lP
wL
87 28
79 44
81 36
59
35
45
36 20
36 21
36 20
16
15
16
np
np
53 np
38 np
np
np
30 np
32 np
np
np
53 23
54 23
52 21
30
31
31
85 33
88 32
82 32
52
56
50
34 20
34 18
34 19
14
16
15
61 23
38
93 30
63
33 21
12
wL Fließgrenze, %, wP Ausrollgrenze, %, lP
wP
Boden S3
wP
lP
Platizitätszahl, %, np nicht plastisch
Die Beziehungen zwischen Dielektrizitätskonstante der
Flüssigkeiten und den Konsistenzgrenzen sind allerdings
nach (7) nur für die stark quellfähigen Montmorillonite
eindeutig: die Fließgrenze nimmt mit abnehmender Dielektrizitätskonstante ebenfalls stark ab. Unterhalb von = 30
ist das Material nicht mehr plastisch. Im Gegensatz dazu
finden sich bei Kaolinit in Abhängigkeit von der geprüften
Flüssigkeit bei gleichen sehr unterschiedliche Werte.
Xylol, Benzol, Tetrachlorkohlenstoff und Heptan , alle mit
Dielektrizitätskonstanten um 1 - 2, ließen das Material
nicht-plastisch werden, während Trichlorethen mit dem
gleichen einen Plastizitätsindex wie Wasser aufwies
(Bild 6)
$EIDOOZLUWVFKDIWV-RXUQDO 1U Bild 5: Viskosität (oben links), Dielektrizitätskonstanten (oben rechts), Durchlässigkeit (unten links) sowie intrinsische
Durchlässigkeit (unten rechts) eines mit verschiedenen Konzentrationen wässriger Lösungen von Dioxan
durchströmten Tonboden (aus (4))
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offensichtlich nicht eine einfache, lineare ist, sondern weitere Faktoren wirksam sind. Bei Ethanolamin und Ethylendiamin sowie besonders bei Dioxan nimmt das Sedimentvolumen bei geringen Konzentrationen bereits stark ab;
hier scheinen spezifische Interaktionen den unspezifischen
Einfluß der Dielektrizität des Mediums zu überlagern. Darauf wird im Teil 2 noch einmal genauer eingegangen.
Harnstoff zeigt keinerlei Einfluß auf das Sedimentvolumen.
Dies ist wiederum in Übereinstimmung mit den Erwartungen, da Harnstoff mit einem von ca 90 sich nur wenig
von Wasser ( = 80,4) unterscheidet, und insbesondere die
Mischungen der beiden Komponenten keine relevanten
Veränderungen der Dielektrizität bewirken.
Literatur
Bild 6: Fließgrenzen für na- und Ca-Montmorillonit
(oben) sowie für Kaolinit (Mitte und unten) in
verschiedenen organischen Flüssigkeiten (aus (7))
(1)
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Schwertmann, U.: Scheffer/Schachtschabel, Lehrbuch der Bodenkunde. 12. Aufl., Stuttgart (1989)
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Engin. Chem., 46, 1239-1246 (1954)
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clays permeated with simple liquid hydrocarbons. Can. Geotech. J.,
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5. Sedimentationsvolumina
Sedimentationsvolumina von Montmorillonit-Böden wurden von (20) mit verschieden konzentrierten wässrigen
Lösungen einer Reihe von organischen Substanzen ermittelt (Aceton, Methanol, Glycerin, Dioxan, Ethanolamin,
Ethylendiamin, Harnstoff). Dabei wurden 10 g Boden in
ein mit 100 ml Lösung gefüllten graduierten Meßzylinder
gegeben, und das Volumen nach der Einstellung eines
"Sediment-Equilibrium-Volumens" abgelesen. Die Ergebnisse finden sich in Bild 7. Demnach nimmt das Sedimentvolumen mit zunehmender Konzentration von Methanol
und Aceton zunächst - bis ca. 20 mol % leicht zu, darüber
hinaus, wie erwartet, stark ab. Es zeigt sich somit, daß die
Beziehung Dielektrizitätskonstante / Sedimentvolumen
EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH,
Im Schwarzen Grund 20, 1000 Berlin 33
$EIDOOZLUWVFKDIWV-RXUQDO 1U Bild 7: Sediment-Equilibrium-Volumen eines Bentonits in verschiedenen Konzentrationen wässriger Lösungen von
Methanol, Aceton, Glycerin, Dioxan, Ethanlamin, Harnstoff und Ethylendiamin (aus (20))
(16)
(17)
(18)
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Verfasser:
Brown, K.W., Thomas, J.C., Green, J.W.: Permeability of compacted clays to solvent mixtures.- In: Land disposal of hazardous waste,
Dr. Reinhard Wienberg
Chemie und Biologie der Altlasten
$EIDOOZLUWVFKDIWV-RXUQDO 1U EF-Verlag für Energie- und Umwelttechnik GmbH,
Im Schwarzen Grund 20, 1000 Berlin 33

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