Ugrás a tartalomhoz

Talaj- és talajvízvédelem

Dr. Horváth Erzsébet (2011)

A kármentesítés és a kárelhárítás műszaki módszerei

A kármentesítés és a kárelhárítás műszaki módszerei

A talajvizet már elért, vízzel nem elegyedő szerves (pl. olajos) fázis kitermeléséhez termelőkút szükséges, amely működhet egyszivattyús és ún. fáziselválasztó (pl. scavenger) szivattyú rendszerben is. Az egyszivattyús rendszerben szeparátorról és fáziselválasztó berendezésről kell gondoskodni. A scavenger szivattyúról külön csövön távozik az olajos és a vizes fázis. Az olajos fázis mindkét esetben elszállításra és újrahasznosításra kerül.

A vizes fázis az igényeknek megfelelően emulzióbontással, levegőzetéssel (sztrippeléssel) előtisztítható. Az ezt követő lépések már a teljes dekontaminálást készítik elő. Ezek kemoszorpciós (aktívszén-szűrő) és bioszorpciós (biofilter) eljárások lehetnek. Az is megoldás lehet, ha a maradék szénhidrogéneket hidrogén-peroxiddal enyhén oxidáljuk és tápanyagokkal feldúsítva visszajuttatjuk a talajba (pl. in situ biológiai eljárások részlépése). Nehézfémek esetében a csapadék képzés is megoldás lehet, melynek eredményeként a mobilitás drasztikusan lecsökken (fixálás). Ha a szennyeződés a talajvizet már elérte, a fémszennyezés oldatba vitelével a talajvízbe való bemosás, majd a talajvíz kitermelése és felszínen való tisztítása lehet a megoldás.

Ha a szennyezés illékony, vagy illékony komponenseket is tartalmaz és terjedése a talaj pórusaiban, a talajgázok közvetítésével lehetséges, az illékonyságtól függően a részleges vagy a teljes kármentesítés levegőztetéssel oldható meg (strippelés). A levegővel kihajtott gázállapotú szennyezést adszorpciós, kemoszorpciós, vagy bioszorpciós eljárásokkal lehet utókezelni.

A szennyezések egy megfelelően kialakított hulladéklerakóban nem jelentenek veszélyt a környezeti elemekre, ezért a veszélyes hulladékok deponálókban való elhelyezése a legegyszerűbb és a leggyorsabb megoldásnak tűnik. Ez azonban csak a probléma elodázását, bizonyos szempontból áthelyezését jelenti. Az emelkedő lerakási díjak, valamint a deponálók korlátozott befogadóképessége miatt sem lehet végcél.

Lokalizációs és immobilizációs (fixálási) eljárások

A lokalizációs eljárások alkalmazásának alapvető célja a szennyezés lehatárolása és mozgásának megakadályozása. Ha a kármentesítés során a szennyező anyag akár in situ, akár ex situ megoldásokkal nem oldódó formába kerül, a szennyezés immobilizációjáról, fixálásáról beszélünk.

Lokalizáció

A lokalizációs eljárások a migrációt megakadályozó réteg kialakítását tekintve lényegében (1) horizontális és (2) vertikális elhelyezésűek lehetnek.

Horizontális árnyékolást akkor alkalmazunk, ha a gravitáció hatására a lencsében elhelyezkedő, vízben nehezen oldódó, lassan lefelé húzódó szennyezés (pl. olajlencse) leszivárgó vízzel való érintkezését akarjuk elkerülni, továbbá abban az esetben, ha más vízoldható anyag lehúzódását, akarjuk kizárni, illetve a leszivárgó csapadékvíz oldható komponenseket mobilizáló hatását kell meggátolni. Horizontális árnyékolás/lokalizáció a szennyezés felett és alatt egyaránt alkalmazható.

A felületi takarás legegyszerűbb módja műanyag fólia vagy műanyag lap alkalmazásával érhető el. Ez azonban csak rövidtávon jelent megoldást. Biztonságosabb és bizonyos esetekben (pl. ha a szennyezés biológiailag lebontható) végleges megoldás az agyagréteggel (pl. bentonit, montmorillonit, kaolinit) való takarás. Végleges megoldásként a geofóliával kombinált betonréteg is használható különösen akkor, ha a terület későbbi felhasználáshoz beton felületre van szükség. Ilyenkor azonban a dilatációs hézagok vízmentes fugázásáról is gondoskodni kell a felfagyás veszélyének elkerülése miatt. A felszíni takarást természetesen a fóliák, az agyag- és a betonréteg kombinálásával is ki lehet alakítani (többrétegű szigetelés). A szennyezés alatti árnyékolás abban az esetben alkalmazható, ha a szennyeződés egy szigetelő réteg felett megáll. Ilyenkor biztonsági okokból gél injektálásával talptömörítés szükséges.

Vertikális árnyékolást akkor célszerű alkalmazni, ha a szennyeződés oldalirányú mozgását kell megakadályozni, vagy a szennyeződés részleges vagy teljes körülhatárolása szükséges. Ezek általában mesterséges falak, melyeket vagy a legalacsonyabb talajvízszint alá helyezünk el a szennyezés mozgásának megakadályozására merülőfalként (az un. kötényfallal a talajvízszintet süllyeszthetjük), vagy szádfal, résfal vízzáró rétegig („feküig”) való kialakításával az oldott anyagok mobilizációját is megakadályozzuk. A szádfalat a talajvíz áramlási irányára merőlegesen kell kialakítani és a hidrogeológiai viszonyok függvényében a szennyezést teljesen, vagy részlegesen kell a szennyezést körülvenni (zárt vagy „kapus” résfalazás). Mind a merülőfalak, mind a résfalak/szádfalak anyaga a szennyezésre nézve szigetel. Megoldás lehet azonban az is, ha a szádfalat olyan töltettel látják el, amely a szennyezést megköti (adszorbensek, ioncserélők) vagy lebontja (biofilterek, mikroorganizmusok hordozókon), a talajvizet pedig átengedi. Ez utóbbi esetben azonban a töltet karbantartásáról, esetleges cseréjéről gondoskodni kell.

A hidraulikus gát a vertikális árnyékolás speciális fajtája. Ez a megoldás a szennyezés potenciális áramlási irányára kialakított olyan kútsor, amelyek depressziós görbéi összeérnek, megakadályozva a talajvízbe illetve a talajnedvességbe oldódott szennyezés terjedését. A kútsorból a szennyezett vizet kitermelik, a felszínen kezelik és tisztítást követően a szennyezés mögé elhelyezett szikkasztó/szivárgó árkokba, vagy nyelető kutakba visszatáplálják. Ez a megoldás gyakorlatilag egy nagyméretű extraktor, mivel a szikkasztóba került víz újabb szennyezést old ki, mely a kitermelő depressziós kutakba mossa a szennyezést. Így a technológiai igénytől függően részleges, vagy teljes kármentesítés érhető el. Elképzelhető az a megoldás is, amikor a kútsor által meghatározott szelvényben vízbesajtolással túlnyomást hozunk létre és az így kialakított hidraulikus gáttal akadályozzuk meg a szennyezés továbbterjedését.

Immobilizációs (fixálási) eljárások

A talajban a szennyeződések természetes módon is megkötődhetnek, immobilizálódhatnak. Ez azt jelenti, hogy a szennyező különböző erősségű kötőerőkkel, irreverzibilis módon megkötődik a talajrészecskék aktív felületén, vagy természetétől függően teljesen beépül a talaj szerkezetét alkotó szerves vagy szervetlen anyagokba, így kikerül a biológiai körforgásból. Mivel a talajra adott körülmények között jellemző egyensúlyi állapot folyamatában, vagy egy drasztikus folyamat (pl. heves esőzés, földcsuszamlás, havária) hatására megváltozhat, az adott egyensúlyi körülmények között immobilizálódott szennyezések az új paraméterek mellett mobilissá válhatnak.

A mesterséges immobilizációs eljárások a szennyező kémiai tulajdonságai és a befogadó környezeti elem fajtái szerint nagy változatosságot mutatnak ugyan, de alapvetően fizikai-kémiai, kémiai és biológiai megoldások lehetségesek (3.1. táblázat). Az immobilizációs technológiák a szennyezők szilárd felülethez (pl. hordozóhoz) kötését, szilárd mátrixba ágyazását, vagy olyan fizikai és/vagy kémiai átalakítását jelentik, amely az illékonyságot, oldhatóságot, deszorpciós képességet csökkentik és ezzel megakadályozza a környezetben való terjedést, a további fizikai-kémiai reakciókat és a biológiai hozzáférhetőséget/felszívódást. Az immobilizáción alapuló környezetvédelmi technológiák elvileg bármely szennyezett környezeti elem és bármilyen halmazállapotú szennyező esetében kivitelezhetők, bár a levegőben és a vízben való a szennyezőanyag immobilizálás (pl. szilárd fázison való megkötés szűréssel, kicsapás hűtéssel) a szennyezés eltávolítását is eredményezi. Ezért gyakorlatilag az immobilizációs/stabilizációs eljárások talajon vagy talajban történő in situ vagy ex situ remediációs technológiákként értelmezhetők. A talajban kivitelezett immobilizáció nem szükségszerűen eredményezi a szennyezőanyag eltávolítását, de a környezeti kockázat lényegesen csökkenthető azáltal, hogy a terjedés valószínűsége és a biológiai hozzáférhetőség lecsökken, megszűnik vagy lehetetlenné válik. Fontos hangsúlyozni, hogy az immobilizálás, fixálás és a stabilizálás kifejezések gyakorlatilag ugyanazt a technológiai tartalmat jelentik, vagyis a szennyezők in situ, vagy ex situ módon kivitelezett, oldhatatlan és az ökoszisztéma számára hozzáférhetetlen formában való átalakítására, megkötésére irányulnak. Definició szerint a stabilizálás/fixálás a szennyező anyagok kevésbé vízoldható vegyületekké történő átalakítását, míg az immobilizálás a mozgás, mozgékonyság, migráció megszüntetését jelenti.

3.1. táblázat - A szennyezők lehetséges immobilizációs folyamatai, amelyekre technológia építhető.

A szennyező tulajdonsága Befogadó környezeti elem
Talaj (szilárd) Talajvíz, talajnedvesség Talajlevegő
Illékony
Gázadszorpció
Kémiai immobilizáció.
Fizikai-kémai stabilizáció
Biológiai immobilizáció
Kémiai immobilizáció
Fizikai-kémiai stabilizáció
Izoláció
Kémiai immobilizáció
Vízoldható
Biológiai immobilizáció
Fitostabilizáció
Szorpció növelése
Kémiai oxidáció/redukció
Fizikai-kémiai stabilizáció
Biológiai immobilizáció
Szorpció növelése
Csapadékképzés, oldhatóság csökkentése.
Kémiai oxidáció/redukció
Rhizofiltráció
Izoláció
Szorpció növelése
Kémiai átalakítás
Szorbeálódó
Biológiai immobilizáció
Fitostabilizáció
Szorpció növelése
Kémiai oxidáció/redukció
Fizikai-kémiai stabilizáció
Vitrifikáció
Biológiai immobilizáció
Szorpció növelése
Kicsapás, oldhatóság csökkentés
Kémiai oxidáció/redukció
Rhizofiltráció

Az immobilizáción alapuló talajkezelési technológiák célja a szennyezők irreverzibilis módon való megkötése. Ezáltal a szennyezést a legkevésbé oldható (legkevésbé mobilis) és a legkevésbé toxikus formába alakítjuk. Leggyakrabban toxikus fémek és perzisztens szerves szennyezőkkel szennyezett talajok kezelésére alkalmazzák. Ennek alapján a technológiák az alábbiak szerint csoportosíthatók:

  1. Fizikai-kémiai stabilizálás: szilárdítással, beágyazással, pl. beton, gipsz, bentonit, bitumen, polimerek felhasználásával;

  2. Kémiai stabilizálás: oldhatatlan kémiai forma létrehozása a pH véltoztatásával (pl. meszezés, CaCO3 talajba való bedolgozásával); oxidációval (pl. ózon, hidrogén-peroxid segítségével a szerves szennyezőanyagok oldhatóságának csökkentése); reduktív körülmények biztosításával (pl. oldhatatlan fém-szulfidok létrehozása);

  3. Biológiai stabilizálás: a növényzet fizikai hatása az erózió és a defláció csökkentésére, növények kémiai stabilizáló hatása (pl. a gyökerek által kiválasztott stabilizáló vegyületek); a növényzet anyagcsere folyamatai során a sejtekben történő immobilizáció (pl. bioakkumuláció); a talajban élő mikroorganizmusok biológiai tevékenysége (pl. szulfátok és nitrátok redukciója).

  4. Termikus immobilizáció: kerámiába, téglába, üvegfázisba való beágyazás vitrifikációval;

Tekintettel arra, hogy a szennyezés immobilizációja a kezelt környezeti elem egy adott egyensúlyi állapotára vonatkozik, szennyezőanyagok újra mobilizálódásának megakadályozása, megelőzése érdekében a terület monitorozása és a kioldási tesztek időszakos elvégzése kívánatos. A re-mobilizálódás elfogadhatatlanul nagy kockázatára a szaknyelv kémiai időzített bomba kifejezést használja.

A stabilizálás során a szennyező fizikai jellege nem szükségszerűen változik. Történhet in situ vagy ex situ megoldással és a stabilizált mátrix lehet koncentrált vagy diszperz. Ez alatt azt jelenti, hogy a stabilizált termék lehet egy betontömb, kerámia, aszfaltba bedolgozott, tehát tömör és koncentrált, de lehet a stabilizált termék mikroszemcsés, talajba kevert vagy bekeverhető anyag, vagyis diszperz rendszer is.

Fizikai-kémiai stabilizálás

A porózus, adszorpciós, ioncserélő vagy zárványképzésre alkalmas anyagok, mint pl. a természetes és a mesterséges zeolitok, a bentonit vagy a kalcit in situ a talajba keverve immobilizálják a szennyezőket. A zeolitok spl. nagy kationcserélő aktivitásuk és kapacitásuk miatt a különböző nehézfémeket alkáli- és alkáliföldfémekre képesek cserélni, de zárványképző tulajdonságuk okán szervesanyagok megkötésére is képesek. Hasonló tulajdonságok kerülnek hasznosításra a bentonit és a kalcit esetében is. A pernye, a hamu, a különböző humuszanyag hordozók (tőzeg, alginit, lignitporok) és az agyagásványok is jó hatásfokkal adszorbeálják a különböző szennyező anyagokat.

Az ex situ stabilizáció során a szennyezett talajhoz keverő reaktorban un. puzzolán anyagokat (szilícium, alumínium és kalcium ásványok) adagolnak. A szilikát mátrixhoz a szennyező anyagok fizikai és kémiai módon is kötődhetnek. Kezelés után a stabilizált anyagot általában talajfeltöltésre használják. Az eljárás elsősorban petróleum és nehézfém szennyezések stabilizálására alkalmazható.

Kémiai stabilizálás

A kémiai stabilizálás jellemző módon diszperz formában történik a talajban, mind in situ, mind ex situ formában megvalósítható. Az alapul szolgáló kémiai reakciók a szennyezőanyagtól függően szinte végtelenül sokfélék lehetnek. Lényegük az, hogy a talajban a szennyezőanyag és a segédanyagok, reagensek, adalékok között lejátszódó kémiai reakció eredményeképpen csökken vagy megszűnik a szennyező mozgékonysága, vízoldhatósága, biológiai hozzáférhetősége és az ökoszisztémára káros hatásai (toxicitás, mutagenitás, teratogenitás).

A gyakorlatban alkalmazott legelterjedtebb stabilizálási eljárásokat nehézfémekkel szennyezett talajok kezelésére az alábbiakban foglaljuk össze:

  1. Pufferoldatot és foszfátot adagolhatunk, ezzel biztosítjuk a szennyezőanyagok stabilisabb, kevésbé veszélyes formájúvá történő átalakulását (vízoldhatóság csökken).

  2. Meszezést alkalmazásával talajfelszín savasságát lúgos irányba toljuk. Arra azonban ügyelni kell, hogy az egyes szennyező fémek oldhatósága, csapadékképződése egymástól különböző pH és redox potenciál értékeken történik. A fémösszetételtől függően egy vagy többlépéses meszezés ajánlott, vagy a meszezést más immobilizáló eljárással kell kombinálni.

  3. Vizes mészpép helyett szilárd fázisú mészkőpor is alkalmazható és azt a lehető legegyszerűbb agrokémiai eljárásokkal (pl. tárcsázás, beszántás) lehet a talajba keverni. Az elsődleges cél ebben az esetben is a talaj savas jellegének csökkentése, vagyis a pH lúgos irányba való eltolása.

  4. Mivel a mobilitás és a toxikusság az oxidációs állapottól is függ, további lehetőség a talaj vagy a felszíni vízi üledék redox potenciáljának mesterséges megváltoztatása a szennyező kevésbé toxikus, kevésbé oldható kémiai formájának kialakítása érdekében. Például hosszú távon is hatékony megoldás a szennyezett lápok anaerob mikroflórájának biztosítása, vagy a vizek és a talajok mélyebb rétegeiben a redox potenciál csökkentése. Ez elsősorban mikroorganizmusokkal biztosítható , mivel a redox potenciál csökkentésében a talajban és az üledékekben lévő természetes mikroflórának fontos szerepe van.

A kémiai immobilizáció ex situ és in situ módon egyaránt megvalósítható. In situ esetben általában agrokémiai eljárásokat alkalmazunk. A keverést, homogenizálást szántással, mélyszántással, tárcsázással vagy boronálással biztosíthatjuk. Az oldott adalékanyagok bejuttatása öntözéssel célszerű. Az ex situ eljárás a szállítóeszközök működésétől függően szakaszos vagy folyamatos is lehet. Az on site (az eredeti helyszínhez közel) megoldásnál csak egy egyszerű keverő berendezés (pl. betonkeverő) is elegendő a helyszínen történő vegyszer-talaj keverék előállításához. A bekeverést követően a talajt visszatöltik.

Biológiai stabilizáció

A biológiai immobilizáció alapvetően kétféle lehet:

(1) Maguk a növények, vagy a mikroorganizmusok immobilizálják a szennyezőanyagot azáltal, hogy sejtjeikben és/vagy szöveteikben akkumulálják azt. Ez a biológiai megkötés, bioakkumuláció az organizmus élettartamára terjed ki, utána visszakerül az elemkörforgalomba, hacsak emberi beavatkozással nem kerül begyűjtésre és elkülönített további kezelésre. Ha a szennyezőanyagot elkülönítése a cél, akkor a biomassza külön kerül feldolgozásra (pl. energianövényként kerül hasznosításra). A fitoextrakció ezen az elven működik.

Spontán is lejátszódó, de irányítható is az a folyamat, amely a talajlevegő oxigénjének csökkentése révén a redoxpotenciál megváltozását és a szennyező redukált formájának megjelenését idézi elő. Mesterséges adalékként talajba juttatott energiaforrás mindig aktiválja a helyi mikroflórát. Ha nem gondoskodunk levegőztetésről, akkor először elfogy a talajlevegő oxigénje, majd az alternatív légzési formák megjelenésével elfogynak az egyéb oxigénforrások (nitrát, szulfát), végül teljesen anaerob körülmények jönnek létre. A negatív redoxpotenciál mellett eltolódnak a kémiai formák egyensúlyai, mely bizonyos szennyezőanyagoknál, pl. toxikus fémeknél kémiai immobilizációhoz, mozgékonyságuk csökkenéséhez, az élő szervezetek számára hozzáférhetetlenséghez vezet.

(2) A biológiai immobilizáció másik fajtája eredményét tekintve nem különbözik a fizikai-kémiai immobilizációtól. A különbség csupán annyi, hogy a stabilizációhoz szükséges vegyületeket és/vagy külső körülményeket maguk a mikroorganizmusok, vagy a növények állítják elő. Ezek az élőlények lehetnek őshonosak, vagy a technológia hatékonyságának növelése, illetve sikere érdekében a kezelendő területre betelepítettek.

A növények extracelluláris anyagok termelésével képesek kicsapni bizonyos szennyezőanyagokat a rhizoszférában (gyökérzónában). Ez a jelenség vízkezelés, vagy in situ talajkezelés során hasznosítható, amennyiben a fémeket megkötő növényzetet gyökerestől el lehet távolítani a környezeti elemből. Egyes mikroorganizmusok extracelluláris poliszaccharidokat termelnek és a fémeket a sejten kívüli térben tudják tartani. Más mikroorganizmusok a sejten belül kötik meg, majd a sejtfalba és a membránba építik be a szennyezőanyagokat, ezáltal védik magukat a szennyezőanyag toxikus hatásától. A környezetben meglévő védekező mechanizmus akkor használható technológiaként, ha az elhalt sejtek elkülöníthetők a befogadó környezeti elemtől, így elsősorban vizek kezelésére alkalmazható (az elhalt mikroorganizmusok az üledékbe kerülnek, tehát az üledék kotrással vagy fitoextrakcióval való utókezelésére van szükség).

A szennyezett vizek üledékeinek felületén egy idő után humuszréteg alakul ki a lebomló és leülepedő szerves anyagokból (humuszlepény), amely kettős hatással rendelkezik. Egyrészt fizikailag izolálja az alatta lévő szennyezett réteget, másrészt az így létrejövő anaerob körülmények között a redox potenciál megváltozásával a fémek oldhatatlan szulfid formába kerülnek. Ezt az állapotot stabilizálhatják a szulfátlégzést alkalmazó baktériumok, melyek vagy honosak, vagy oltóanyagként betelepíthetők a szulfátos szennyezést tartalmazó talajokba vagy üledékekbe (a humuszlepény alá). A Thiobacillusok tevékenységének megakadályozására szulfátredukáló baktériumok telepíthetők a szennyezett területre, a talajba vagy az üledékbe. Ilyen mikroorganizmusok az anaerob Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfuromonas autooxidans fajok, amelyek a szulfátot oldhatatlan szulfiddá alakítják. Mivel a baktériumok működése anaerob körülményeket igényel, alkalmazásuk a felszíni vizek mélyebb rétegeiben, mocsaras területeken, vagy légmenetesen lezárt talajokban célravezető mikrobiológiai stabilizálási módszer.

A szennyezett üledék talajra is teríthető, majd fémeket akkumuláló növényfajokat telepítenek a területre. A szerves és szervetlen szennyezőanyagok megkötése, átalakítása, eltávolítása ezesetben növények segítségével, fitoremediációval történik. A növények gyökérrendszere igen nagy területet hálóz be, nagy felületet biztosít a fémek felvételéhez és a szerves anyagok lebontásához. A fémakkumuláló növényeket betakarítják, elégetik, a hamut pedig veszélyes hulladéklerakóban helyezik el, vagy más módon ártalmatlanítják illetve hasznosítják. A hamuból például a fémtartalom kioldható, vagy stabilizálható.

Termikus és egyéb immobilizációs eljárások

Ha a szennyezés csak ex situ módon, drasztikus hőkezeléssel, vagy erős oxidálószerekkel immobilizálható (pl. a magas koncentráció, vagy az extrém nagy toxicitás miatt), akkor a kitermelt talaj produktivitását elveszíti, mivel szervesanyag tartalma és mikroflórája teljesen tönkremegy. Az eljárások közös jellemzője, hogy a szennyezőanyagot nem vonják ki a talajból, hanem a biológiai hozzáférhetőségét csökkentik. bizonyos eljárások nemcsak talajok, hanem vizek kezelésére is használhatók.

A szilárdítás során fizikailag rögzítik a szennyezőt egy kémiailag ellenálló mátrixban. Stabilizátorként leggyakrabban cementet, hőre lágyuló anyagokat (aszfaltot, bitument), szerves monomereket (poliészter gyanták) használnak. Néhány megoldást felsorolás jelleggel adunk meg:

  1. A szennyezett talajt forró bitumenbe ágyazzák (ex situ);

  2. Aszfaltcseppeket diszpergálnak vízben, majd az emulzióhoz keverik a szennyezett talajt. Az emulzió megszilárdulása után a szennyezőanyag az aszfalt mátrixba ágyazva lesz jelen. (ex situ);

  3. A szennyezett talajt polietilénnel (PE-nel) extrudálják;

  4. A vas- és a mangán-oxihidroxidokhoz, illetve a vas-oxidhoz hasonló mikropórusos anyagok a szennyezőanyagokat szelektíven adszorbeálva csökkentik azok hozzáférhetőségét (pl. az arzenitet és az arzenátota legnagyobb mértékben a vas-oxidok adszorbeálják);

  5. Kisebb oldhatóságú, kicsapódó forma létrehozása oxidációval illetve redukcióval;

  6. A szennyezett talajt talajmosás és frakcionálás után magas hőmérsékleten megolvasztják annak érdekében, hogy a szilikátokból amorf, vagy kristályos szerkezetű, üvegszerű anyag keletkezzen. A benne levő szennyezőanyag oldhatósága igen kicsi lesz. Az eljárás során 1200 oC-os vagy annál magasabb hőmérsékletet alkalmaznak, amelyet fosszilis tüzelőanyagok elégetésével, vagy elektromos úton állítanak elő. A villamos kemencék használata esetében kisebb a káros anyag emisszió. Az eljárás akkor eredményes, ha a szerves szennyezőanyagok a magas hőfokon deszorbeálódnak és/vagy elégnek és/vagy pirolizálódnak, a toxikus fémek pedig teljesen immobilissá válva beépülnek az üvegszerű szerkezetbe. Ily módon a nehézfémek és radioaktív anyagok toxikus hatása és mobilitása megszűnik, az olvadékot a fémtartalomtól függően fel lehet használni (pl. útalap, kerámia termékek, cserepek, téglák), vagy veszélyes hulladéklerakóban lehet elhelyezni. Az értékesebb termékekből a fémtartalom ásványi savas kezeléssel eltávolítható. Nagyon fontos kritérium, hogy a talaj-üvegesítési eljárás során ne szabaduljanak fel mérgező gázok a szennyezett talajokból, illetve, ha ilyenek keletkeznek is, akkor kezelésükről külön kell gondoskodni. Ha az energiaközlést elektromos árammal végezzük, az eljárás ex situ és in situ technológiaként is alkalmazható.

Ha nagymennyiségű talajt kell kezelni, vagy a talaj kitermelése egyéb okok miatt nem megoldható, akkor a vitrifikációs technológia a helyszínen is kivitelezhető. A talajba grafit elektródákat helyeznek el néhány cm mélyen és a talajhoz őrölt üvegképző keveréket (ún. frittet) kevernek, majd elektromos áram segítségével megolvasztják a talaj szilikátjait. Ezzel a módszerrel a szennyezett talaj akár 6-30 m mélységig is megszilárdítható, bár a magas talajvízszint és a magas olvadáspontú talajalkotó kőzetek jelenléte gátolja a technológia hatásfokát, a nehezen hozzáférhető helyeken és nagykiterjedésű, nehezen mozgatható szennyezett talajok esetében az eljárás megoldás lehet. Mivel a szennyezett talaj térfogata az eredeti térfogat 70%-ára csökken a talaj felszíne tiszta talajjal feltölthető.

A legnagyobb kapacitású in situ vitrifikáló berendezések egy-egy kezelésre 10-50 m3 talaj kezelésére képesek. Villamos energia igénye igen magas, költségigénye a villamos energia árától függ. Az USA-ban igen népszerű technológia. Hollandiában és Németországban elsősorban kerámiatermékek, tetőfedő cserép és kültéri burkolólapok valamint gyöngykavics-szerű kerámiaanyag készítésére használják ennek a technológiának az ex situ változatát. A szennyezett talajt és üledéket, majdnem mindig frakcionálásos előkezelés után használják, tehát annak agyagtartalmát hasznosítják. A szerves szennyezőanyagok a vitrifikálás közben elégnek, a agyagásvány szilikátjai megolvadnak és üvegesednek, az égéstermékként keletkező füstgázokat kezelik.

Nagyon fontos, hogy a beágyazást illetve termikus stabilizációt követően a pH függvényében kioldási és öregedési vizsgálatokkal győződjünk meg a szennyezés mobilitásáról.

A kémiai oxidációs eljárások során olyan polimerizációs vagy kondenzációs reakciókat alkalmaznak, amelyek eredményeként az adott szennyezőanyag mobilitása és toxicitása csökken. A leggyakoribb oxidálószerek az ózon, a hidrogén-peroxid, a klór, vagy a klór-dioxid. A szennyezőanyag tulajdonságai szerint kell megválasztani a kémiai reakciót. Ezt az ex situ technológiát gyakran alkalmazzák az ivóvíz és a szennyvíztisztításban, valamint a cianiddal szennyezett hulladékok kezelésére. nagyon fontos kritérium, hogy a reakció teljes és egyirányú legyen, mivel a részleges, vagy egyensúlyra vezető reakciókban olyan átmeneti vegyületek képződhetnek, amelyek toxikusak lehetnek a talaj mikroflórájára. Nagymennyiségű és magas koncentrációban jelenlévő szennyezők ártalmatlanítására a módszer nem gazdaságos, mivel nagymennyiségű oxidálószer igénye van.

A környezeti hatások befolyásolhatják a hosszú távú immobilitást, ezért hosszú távon a szennyezők mobilizálódása reális veszély, tehát ennek kockázatával számolni kell. Az immobilizálással ártalmatlanított területeken hosszú távra monitoringrendszert kell tervezni, kiépíteni és üzemeltetni. Jogi háttér, törvényi szabályozás, regisztráció és nyilvántartás szükséges az immobilizálással kezelt talajokról és egyéb hulladékokról. Magyarországon ennek feltételei még nem adottak, ugyanakkor alkalmazásuk/kiépítésük a veszélyes hulladéklerakók (és az illegális hulladéklerakás) reális alternatívájaként a környezeti kockázatokat jelentős mértékben csökkentené.

A kárelhárítási gyakorlatban általánosan használt fizikai kémiai műveletek

Talajlevegőztetés, Talajmosás

Ha a talajt ért szennyeződés az illékonyságánál fogva a talajlevegőben terjedni tud (pl. illékony kőolajszármazékok: kerozin, gázolaj, benzin), az ártalmatlanítás talajlevegőztetéssel elvégezhető. A művelet in situ és ex situ módon is megoldható.

A talajszellőztetés (más elnevezéssel átlevegőztetés vagy vákuum extrakció) során az illékony szennyezőket a szennyezett talajrétegen átszívott vagy átnyomott megfelelő hőmérsékletű, nedvességtartalmú és sebességű levegőáram segítségével távolítják el. A kialakuló levegőáram hatására az illékony szerves szennyezők a talajrészecskékről leválnak, illetve a talaj pórusvizéből a talaj póruslevegőjébe kerülnek át. Végül a szennyező anyagok gőzeit tartalmazó levegőt aktív szénen, gázmosókban vagy katalitikus elégetéssel utókezelni/hasznosítani kell.

Az in situ megoldásnál a szennyezés alá és fölé drain csöveket helyeznek el. Az alsó csőkötegbe levegőt, esetenként forró gőzt sajtolnak, míg a felső csőkötegben szívást alkalmaznak. Az elszívott talajgázokkal/vízgőzzel együtt az illékony szennyezés is távozik, amelyet a szennyezés típusától függően különböző polaritású adszorbenseken célszerű megkötni és lehetőség szerint utókezelni illetve hasznosítani. Kőolajszármazékok ártalmatlanítása során az aktívszén adszorbensen megkötött szennyezést általában égetőkben, hőként hasznosítják. A módszer csak akkor alkalmazható, ha a szennyeződés viszonylag alacsony hőmérsékleten is jó hatásfokkal deszorbeáltatható a talajrészecskék felületéről.

Az ex situ talajlevegőztetés alkalmazása során a kezelendő talajt ki kell termelni és zárt rendszerben, egyszerű, alacsony hőmérsékletű (max. 100 °C) termikus kezeléssel deszorbeáltatják, elszívják, majd adszorbensen megkötik a szennyezést. Kizárólag illékony szennyezők (pl. benzin) eltávolítására alkalmazzák. A technológia leegyszerűsítve abból áll, hogy a kitermelt talajt egy megfelelően kialakított helyen prizmákban helyezik el. Az előre lefektetett drain szívócső rendszer fölé rétegezett talajon vákuumszivattyú segítségével folyamatos üzemben levegőt szivatnak keresztül. A távozó, szennyezőt tartalmazó levegőt megfelelő módszerrel (aktívszenes adszorpcióval, termikus vagy katalitikus oxidációval) tovább tisztítják. Bár tűzveszélyes eljárás, a módszer nagy előnye az egyszerűsége és a kedvező költség-fajlagosok abból adódóan, hogy a kitermelés során a talaj aprózódik, így átjárhatóbb, könnyebben hozzáférhetőbb lesz a levegő számára. Továbbá a talaj fokozott nedvességtartalma, valamint a magas talajvíz zavaró hatásai nem kiküszöbölhetők. A kezelés kontrolláltabb körülmények között valósul meg. Alkalmazható önálló technológiaként, dekontaminálási folyamat első lépcsőjeként, vagy utótisztítási módszerként is. Ezzel szemben az in-situ megoldás során lehetőség van a szivárgó vizek összegyűjtésére és megfelelő kezelésére.

Ha a szennyezés nehezen deszorbeáltatható a talaj felületéről, a talaj (mint szilárd fázis) vizes oldatokkal, tenzideket tartalmazó vizes oldatokkal, emulziókkal, komplexképzőkkel, szerves vagy ásványi savakkal való átmosására van szükség. Ez az eljárás az úgynevezett talajmosás. Az alkalmazott mosófolyadék a talajvíz és a szilárd fázis között megoszló, de dominánsan a szilárd fázishoz kötődő szennyezőket mobilizálja, oldékonyságukat megnöveli, vagyis a folyadék fázis szennyezőanyag koncentrációját növeli. A talajmosás a fizikai-kémiai talajkezelési eljárások közé tartozik. A fizikai-kémiai talajkezelési eljárások alatt olyan beavatkozásokat értünk, amelyek a szennyezőanyag egy vagy többféle talajfázis közötti mozgatását (talajlevegő, talajnedvesség, szilárd fázis), áramoltatását, illetve fázisok közötti megoszlásának eltolását, vagy kémiai átalakítását jelentik. A kezelés során a szennyező anyagok nem bomlanak le, azokat a talaj/üledék felületéről lemossuk. Többnyire olajos és nehézfém szennyezések eltávolítására alkalmas. Mind ex situ, mind in situ módon megvalósítható. Lényeges, hogy a 63mm-nél kisebb talajszemcséken adszorbeálódik a legtöbb szennyezés, ezért az ex situ eljárás során előkezelésként a talajt frakcionálják. A talajmosás során nagy mennyiségű szennyezett mosófolyadék keletkezik, amelyet utókezelni kell. A szerves anyagokat vagy biológiai úton lebontják, vagy adszorbenseken megkötik. A nehézfémeket ioncserével vagy csapadékképzéssel tudják a mosófolyadékból eltávolítani.

Ha a szennyezés már elérte a talajvizet, akkor a talajban lévő szennyezést célszerű a talajvízbe bemosni, majd termelőkutak segítségével a szennyezett talajvizet ki kell termelni és a felszínen kell megtisztítani. A tisztított talajvizet szikkasztón keresztül lehet visszajuttatni a talajba. A módszer szerves szennyezők esetében mikroorganizmusok talajba juttatásával kombinálható,a tisztítás/mosás hatékonyságának növelése érdekében. Az üledékes, homokos és a vályog talajokon a talajmosási eljárások könnyebben kivitelezhetők. Ha agyagos, kötött talajokon kell az eljárást megvalósítani, az in situ technológiát talajfellazítás egészíti ki annak érdekében, hogy a mosófolyadék jobban átjárhassa a talajt.

Az ex situ eljárást leggyakrabban az Európában széles körben elterjedt a Bergmann-féle talajmosási technológiával valósítják meg. A technológia elve az ásványbányászatban és az ércdúsítási eljárásokban használt megoldásokra épül. A szennyezőanyagokat a talaj felületéről vízzel, savas vízzel, felületaktív anyagokkal vagy kelátképzőkkel mossák le, általában keverős reaktorokban. A reaktor lehet talajjal töltött oszlopreaktor vagy iszapreaktor, melyben a talaj vizes szuszpenziója kerül. A mosó reaktor a helyszínen is felállítható, így a talaj kezelés után azonnal visszatölthető eredeti helyére. Az 1980-as évekből Hollandiában, Belgiumban, Németországban és Angliában kőolaj- és üzemanyag származékok, nehézfémek, poliklórozott bifenilek (PCB), policiklikus aromás szénhidrogének (PAH), peszticidek, nehézfémek, cianidok, radioaktív anyagok és azbeszt származékok eltávolítására használják. Az eltávolítás hatékonysága függ a talaj szerkezetétől és a talaj fizikai kémiai tulajdonságaitól is 3.2. táblázat, 3.3. tablazat

3.2. táblázat - Tipikus talajmosási adatok szervetlen nehézfémek esetében

Szennyezőanyag Holland standard mg/kg “B” Holland standard mg/kg “C” Mosás előtt Mosás után
Króm 250 800 150-2500 70-120
Nikkel 100 500 250-890 40-70
Cink 500 3000 6040 150
Ólom 150 600 110-450 20-70
Higany 2 10 67 1,5
Arzén 30 50 135 19
Kadmium 5 20 3000-1800 20

3.3. táblázat - Tipikus talajmosási adatok szerves szennyezők esetében

Szennyezőanyag Holland standard mg/kg “B” Holland standard mg/kg “C” Mosás előtt Mosás után
Ásványi olaj 1000 5000 6000 kevesebb, mint 20
Teljes szervesanyag szennyezés 50 500 75-300 kevesebb, mint 10
PCB 1 10 04.febr 0,1-0,2
PCA 20 200 2500-400 0,5-10
Klórozott szénhidrogének 1 10 20-30 kevesebb, mint 1

Gáztisztítási eljárások

A kárelhárítási gyakorlatban ritkán kell homogén fázist kezelni. többnyire szilárd-folyadék gáz, folyadék-szilárd és gáz-szilárd rendszerekkel kell dolgozni. A kárelhárítási, kármentesítési eljárások során a folyadék-szilárd rendszerek kezelése, technológiai megoldásai teljes mértékben a szennyvíztisztítási gyakorlattal azonosak (ld. vízkezelési és szennyvíztisztítási eljárások kurzus anyagát), ezért itt csak a gáztisztítási eljárásokkal foglalkozunk. A talajtisztítás során általános probléma a gázok, talajgázok gáz, gőz és porszennyeződéseinek eltávolítása, melyet általában nedves gáztisztítási eljárások alkalmazásával lehet elvégezni. A nedves gáztisztítás során a porszemcséket folyadékkal nedvesítik, majd azok a mosófolyadékhoz kötődve a gázfázisból eltávolíthatók. A porszemcséknek és a folyadékfilm felületéhez való megkötődését vagy a folyadékba való bemosódását háromféleképpen lehet megoldani:

  1. átbuborékoltatással,

  2. a gáz lehűtése során a porszemcsék kondenzációs magot képeznek, így felületükre a mosófolyadék lekondenzál,

  3. a porszemcséket a porlasztott folyadékcseppekkel ütköztetve a szilárd fázis megkötődik a folyadék felületén, illetve bemosódik a folyadékba.

A nedves porleválasztás fizikai kémiai szempontból a következő részfolyamatokból áll: (1) a porszemcse a folyadékcsepp vagy a folyadékfilm felületére kerül, (2) porszemcse megkötődik a felületen, majd behatol a mosófolyadék/film belsejébe és (3) a mosófolyadékkal együtt távozik a leválasztó térből. Ha a gázban olyan komponensek is vannak, amelyek a mosófolyadékban oldódnak, a gázabszorpció is végbemegy. A művelet előnye, hogy a mosófolyadék a szilárd és gáz állapotú szennyező komponenseket egy lépésben távolítja el, vagyis a porleválasztás és a gázabszorpció egy lépésben megvalósítható. A nedves porleválasztás az egyedüli megoldás a tűz- és robbanásveszélyes porokat tartalmazó gázok esetében (pl. katonai, vagy robbanószergyártó üzemi területek kármentesítése). A folyadék utótisztítását természetesen el kell végezni. A nedves gáztisztító készülékek üzemeltetési költsége magasabb, mint az ugyanazon hatásfokú száraz porleválasztóé, továbbá a szabadba telepített nedves porleválasztók a téli üzemeltetés során lefagyhatnak.

Attól függően, hogy a szilárd-folyadék fázishatár kialakítása hogyan valósul meg, továbbá a készülékben milyenek a sebesség viszonyok, többféle kialakítású gázmosó lehetséges. Ezek közül a permetező/porlasztásos mosók, a töltetes tornyok, a nedves dinamikus örvénymosók, a tányéros tornyok, a nedves centrifugális berendezések (rotációs mosók) és a Venturi-mosók a legismertebbek (3.1. ábra)

3.1. ábra - Különböző gázmosók a műveleti paraméterek feltüntetésével.

Különböző gázmosók a műveleti paraméterek feltüntetésével.


A legegyszerűbb gázmosó berendezésekbe (scrubber) a tisztítandó gázt a bepermetezett mosófolyadékkal (legtöbbször víz) szemben ellenáramban vezetjük be. A finoman elporlasztott víz párolgása a gázt lehűti. Ezek a készülékek csak kis gázsebesség mellett működnek hatásosan. Előnye a kis nyomásesés és az alacsony energiafelhasználás. A töltettel nem rendelkező, üres gázmosók nagyobb porszemcsék eltávolítására alkalmasak. Ha a gázmosó tornyokba betétet helyeznek el, akkor a fluidumok tartózkodási ideje és az érintkezési felület megnövelhető A porlasztásos mosók a legegyszerűbb kialakítású porleválasztók. A tisztítandó és hűtendő gázt a torony alján tangenciálisan vagy radiálisan vezetik be a készülékbe. A toronyban a gáz ellenáramban halad a torony felső részén beporlasztott mosófolyadék cseppekkel. A gáz áramlási sebessége a toronyban 1-3 m/s, általában előleválasztásra alkalmazzák.

A töltetes tornyok az érintkezési felület megnövelése érdekében általában kerámia töltetet tartalmaznak. A mosófolyadékkal locsolt töltetrétegben az ellenáramban haladó gáz sokszoros sebesség és irányváltoztatásra kényszerül. A mosófolyadékkal érintkezve az abszorpción és a gáz hűtésén kívül a szilárd és a folyékony szennyezők leválasztása is végbemegy. Portalanításra ritkábban alkalmazzák, mivel az eltömődés veszélye fennáll. A gáz áramlási sebessége a készülékben 1-2 m/s.

A dinamikus örvénymosókban a gázt nagy sebességgel ütköztetik a mosófolyadékkal, amelynek hatására egy előleválasztás jön létre. Kedvező hidrodinamikai körülmények között a folyadékrétegben örvényterek alakulnak ki, amelyekben igen intenzív a keveredés jön létre, a porszemcsék felülete nedvesedik és leválik. A gázsebesség az örvényzónában 1–2 m/s.

A rotációs mosókban a folyadékcseppek létrehozásához és a mosófolyadéknak a gáz-por diszperz rendszerrel való intenzív keveredéséhez forgó szerelvényeket alkalmaznak. A gázsebesség a leválasztóban igen széles határok között ingadozhat.

A tányéros tornyokban a poros gáz és a folyadék érintkeztetése különböző perforációkkal ellátott tányérokon valósul meg. A tányéron dinamikus, állandóan megújuló habréteg alakul ki, amely nagy érintkezési határfelületet és ideális keveredést biztosít. Ebben a habrétegben történik meg a por gázból való kiválása. A gáz lineáris sebessége a berendezésben 0,5–3,5 m/s.

A Venturi-mosó tulajdonképpen egy konfúzorból (torokból) és egy diffúzorból áll. A mosófolyadékot a torokban vagy a torok előtt vezetik be a poros gázáramba. A gázsebesség a torokban 50–150 m/s-ot is elérheti. A bevezetett mosófolyadékból a gáz és a folyadék közötti nagy sebességkülönbség miatt sűrű, ködszerű folyadékcseppek (aeroszol) jönnek létre, amelyben igen intenzív a keveredés. Ebben a részben történik meg a szilárd szemcsék leválasztása. A diffúzorban a sebességcsökkenés eredményeként a köd nagyobb cseppekké áll össze, amelyeket a Venturi-cső után egy ciklonban választanak le a hozzájuk kapcsolódó szilárd részecskékkel együtt.

Adszorpciós eljárások

Az adszorpció gáz, gőz, vagy folyadék halmazállapotú atomok, molekulák felhalmozódása, megkötődése két fázis közötti határfelületen. Mivel a felület részecskéinek erőtere a felületre merőlegesen kiegyensúlyozatlan, ezért a felület képes egy másik fázis molekuláival kölcsönhatásba lépni. Az adszorbens az az anyag, amelynek felületén egy másik anyag részecskéi megkötődhetnek, adszorbeálódhatnak. A felület leggyakrabban szilárd, de lehet folyékony is. Az adszorptívum a felületen megkötődött, adszorbeálódott anyag, ami általában gáz vagy folyékony halmazállapotú. Az adszorptívum és az adszorbens együttesen alkotják az adszorbeátumot.

Az adszorpció spontán végbemenő exoterm folyamat, vagyis hőfelszabadulás kíséri. A felületek erőtereinek fizikai-kémiai tulajdonságai, valamint az adszorpciós kölcsönhatások erőssége alapján fizikai adszorpcióról és kemiszorpcióról beszélhetünk.

A kémiai adszorpció (kemiszorpció) során az adszorbens és az adszorptívum közötti elektron transzfer következtében az adszorptívum eredeti kémiai kötései részlegesen vagy teljesen felbomlanak, majd az adszorbens részecskéivel új kötések jönnek létre.

A kemiszorpció során felszabaduló hő a kémiai reakciókat jellemző energiák nagyságrendjébe esik (40 – 400 KJ/mol). Mivel a folyamat aktiválási energiája a kémiai reakciókat jellemző nagyságrendű, ezért magasabb hőmérsékleten és lassabban megy végbe. A kemiszorpció során az adszorbens általában csak bizonyos fajta adszorptívummal lép kölcsönhatásba és a felületen csak monomolekuláris réteg alakulhat ki. Mivel a felülethez kötődött részecskék lokalizáltak, nem képesek a felületen elmozdulni.

A kemiszorpció irreverzibilis (nem megfordítható) folyamat, vagyis a felületről való deszorpció sebessége gyakorlatilag elhanyagolható (mivel az adszorbeált molekulák és a felület között létrejövő kémiai kötések nem engedik eltávozni a megkötődött részecskéket, még akkor sem, ha az adszorptívum koncentrációja, vagy parciális nyomása nullára csökken). A kemiszorpció során megváltoznak tehát a molekulák kémiai tulajdonságai, ezért sok esetben katalitikus hatás kíséri.

A fizikai adszorpció során a felület és a részecskék között fizikai kölcsönhatás jön létre, amelyet van der Waals erők (elektrosztatikus, dipólus és diszperziós erők) alakítanak ki. Az erők gyengesége folytán kémiai reakció nem történik és aktiválási energiát sem igényel. A fizikai adszorpció során a felszabaduló adszorpciós hő a kondenzációs hő tartományába esik (8-20 KJ/mol). A folyamat gyorsan végbemegy és a felületen nem csak egy, hanem több atom- vagy molekularéteg is megkötődhet. A fizikai adszorpció nem anyagspecifikus, vagyis az adszorpció nem szelektív, továbbá a megkötődött részecskék delokalizáltak, tehát a felületen képesek elmozdulni.

A fizikai adszorpció egy dinamikus egyensúlyra vezető folyamat, tehát az adszorbeált felületi réteg és a gáz/gőztér között állandó részecske kicserélődés megy végbe. Az adszorpcióval ellentétes folyamat a deszorpció, amelynek során az adszorptívum koncentrációjának vagy parciális nyomásának a csökkenése miatt részecskék válnak le a felületről.

Az adszorpciós izoterma leírja, hogy konstans hőmérsékleten adott mennyiségű adszorbensre hány cm3 vagy gramm adszorptívum adszorbeálódik az adszorptívum egyensúlyi gáznyomása (gáz halmazállapot) vagy koncentrációja (folyadék halmazállapot) függvényében. Gáz halmazállapotú adszorptívumok esetén a fizikai adszorpciós izotermák 5 fő típusát különböztethetjük meg (3.2. ábra) .

3.2. ábra - Adszorpciós izotermák.

Adszorpciós izotermák.


A legtöbb anyagra az I. típusú izoterma a jellemző. Ezek szerint kisebb nyomáson az adszorbeált fajlagos gáztérfogat meredeken nő, majd a növekedés fokozatosan csökken, illetve konstanshoz közelít. Nagyobb nyomáson ugyanis az adszorbens felülete telítődik adszorptívummal és a nyomás további növelésével a felületen adszorbeált anyagmennyiség már nem nő tovább (Langmuir izoterma).

Az adszorpciós izotermák matematikai leírására általánosan a Langmuir és a BET elméletek használatosak (ld. Fizikai kémia alapkurzus). Folyadék fázisú adszorptívum esetén az adszorpciós izoterma gyökfüggvény típusú azért, mert maximum csak a 3. molekula réteg után az adszorptívumra már a folyadék fázisra jellemző kölcsönhatások lesznek érvényesek

Az adszorbensek olyan pórusos szilárd anyagok, amelyeknek a felületén nagy számú aktív centrum található és az adszorptívum ezekhez tud kötődni. A jó adszorbensek nagy felületi aktivitással (adott tömegű anyag mennyi részecskét tud megkötni) és szelektivitással (csak azt köti meg, amit kell) rendelkeznek. Az adszorbensek az összetételük és felépítésük alapján szénbázisúak és oxidbázisúak lehetnek.

A szénbázisú adszorbensek alapanyaga több mint 90 %-ban szén. Nagy fajlagos felületük és hidrofób karakterük miatt jól alkalmazhatók nem poláros szerves anyagok megkötésére. A legfontosabb szénbázisú adszorbensek az aktív szén, az aktivált koksz, a szénbázisú molekulaszűrők, a lignin, a cellulóz szivacs és a szénbázisú szintetikus gyanták.

Az aktív szén: az egyik legelterjedtebb adszorber. Főleg szerves oldószerek, üzemanyagok, kis koncentrációjú olajszennyezések megkötésére használják. Szemcse és porformájú kialakításban is használható.

Az aktivált kokszot szemcsés formában, leginkább füstgázok szervesanyag mentesítésére és kéntelenítésre használják.

A szén/aktív szén molekulaszűrők szemcsés formában kerülnek forgalomba és a szénhidrogének gázokból történő eltávolítására használhatók.

A lignin szerves anyagok vízből való eltávolítására, valamint talajhoz keverve a talajban lévő olajos szennyezők megkötésére használható.

A cellulóz szivacs amino- és karboxil csoportjai fémekkel kelátokat képeznek, az oldott nehézfémeket szelektíven képesek megkötni. Mivel olcsóbbak, mint a szintetikus gyanták, a fémmentesítési folyamatokban előszeretettel alkalmazott adszorbensek.

A szintetikus gyanták az aktív szénhez hasonló tulajdonságúak, de kapacitásuk és szelektivitásuk nagyobb. Ugyanakkor drágábbak, mint az aktív szén.

Az oxidbázisú adszorbensek alapanyaga többnyire SiO2 és Al2O3. Erősen hidrofil karakterűek, ezért a poláros vegyületeket hatékonyan kötik meg. A leggyakrabban alkalmazott oxidbázisú adszorbenseket és fontosabb jellemzőiket alább soroljuk fel.

A szilikagél kolloid állapotú, szemcsézett kovasav, amely nagy szelektivitással köti meg a poláros vegyületeket, mint például a vizet/vízgőzt, valamint a polárosabb szerves anyagokat, mint például az etanolt, metanolt vagy a formaldehidet.

Az alumínium-oxid bauxit vagy Al(OH)3 kalcinálásával készült porózus adszorbens. Széleskörben alkalmazzák katalizátorként vagy katalizátor hordozóként, illetve fluorid, arzén és szelén eltávolításra is.

A molekulaszűrő zeolitok természetes vagy mesterséges úton előállított alkáli vagy földalkáli szilikátok, amelyekben a kristályszerkezetük által meghatározott pórusok és üregek vannak. A pórusukkal összemérhető méretű részecskéket (pl. olajfrakciókat) zárványként magukba zárják illetve adszorbeálják. A poláros anyagokat előbb képesek adszorbeálni, mint az apolárosakat.

Az agyagásványok szerves és szervetlen anyagok megkötésére is alkalmasak. A szennyező anyagok molekuláris adhéziós erővel kötődnek az adszorbens felületéhez, de bizonyos agyagásványok a kisméretű szerves anyagokat rétegeik közé is bezárhatják, interkalálhatják. A felületükön lévő aktív helyek kationok és anionok megkötésére egyaránt képesek. A háromrétegű, 2:1 típusú agyagásványok pedig ioncserével kationokat tudnak megkötni.

A megfelelő adszorbensek kiválasztásánál az alábbi szempontokat érdemes figyelembe venni:

  1. Az adszorbensnek kis adszorptívum koncentrációk esetén is megfelelő teljesítményt kell nyújtani.

  2. Az adszorbeált anyagokat az adszorbens újrahasznosítása érdekében könnyen lehessen deszorbeáltatni.

  3. Az adszorbens aktivitását a különböző folyamatok (adszorpció, deszorpció, regenerálás, tisztítás, hőmérséklet változások) nem csökkenthetik számottevően.

  4. Nagy mechanikai szilárdsággal rendelkezzék, bírja a túlnyomást is és ne tömődjön el.

  5. Kémiai ellenállósággal rendelkezzen.

  6. A leválasztandó, kinyerendő anyagra nézve nagy legyen a szelektivitása.

Ezeket a tulajdonságokat a legtöbb esetben egyidőben egy adszorbens alkalmazásával nehéz biztosítani, így mindíg a célfeladat által definiált módon, a legkritikusabb tulajdonságok alapján kell megválasztani a megfelelő adszorbenset.

Az adszorpciós műveletet igénylő talajlevegő és talajvíz tisztítási eljárások többnyire ex situ eljárások, bár újabban kísérleteznek in situ megoldásokkal is, amikor szádfalakba épített adszorbensek segítségével a szennyező anyagokat a talajvíz felszín alatti áramlása közben távolítják el.

Az adszorbens összetételétől, szerkezetétől függően különböző típusú szennyezőanyagok távolíthatók el. Szénbázisú adszorbensek alkalmazásával főleg a hidrofób, apoláros, szerves anyagokat lehet eltávolítani. Például aktív szénnel vagy koksszal, ligninnel az oldószer, az üzemanyag, a kisebb koncentrációjú olajszennyezések, valamint a halogénezett szénhidrogén típusú szennyeződések, cellulóz szivaccsal a fémszennyezések távolíthatók el.

Az ex situ talaj és talajvíz tisztítási eljárások előtt mindig szükség van előkészítő műveletekre.

Az adszorpciós műveletek alkalmazása előtt a szennyezett talajt átmossák, hogy a szennyező anyagok oldott fázisba jusson. Ha a szennyezés a talajvizet érinti, akkor azt egyszerűen ki kell szivattyúzni.

Az adszorberbe való betáp előtt le kell választani a mosófolyadékban lévő finom talajfrakciót és a kisebb szuszpendált szilárd anyagokat. Ezzel részben már a víz is tisztul, mivel a szennyezőanyagok egy elég nagy hányada a finomabb szilárd szemcséken van adszorbeálva. A leválasztás azért szükséges, mert ezek az anyagok az adszorbens felületére tapadva akadályozzák annak működését.

Az adszorberben megtörténik a szennyező anyagok eltávolítása. Mivel az adszorpció exoterm folyamat, a művelet hűtést igényel (magasabb hőmérsékleten csökken az adszorbens kapacitása), amely legtöbbször a kilépő folyadék hőtranszportáló tulajdonságával megoldható, ha ez mégsem következik be, előfordul, hogy hűteni kell a reaktort.

A megtisztított közeget ezután visszajuttatják az eredeti helyére, vagy valamilyen befogadóba.

Az elhasználódott, telítődött adszorbenst vagy el kell távolítani a reaktorból, vagy regenerálni, deszorbeáltatni kell az adszorbeálódott anyagot. A deszorpciónak négyféle módja lehetséges.

  1. A hőmérséklet növelésével az adszorber ágy adszorpciós kapacitása csökken, ezért deszorbeálódik róla az adszorbeálódott anyag, amelyet aztán el kell távolítani.

  2. Adszorbeálható anyagokat nem tartalmazó gázt vagy folyadékot nyomnak át az adszorber ágyon és a megoszlási hányados alapján az adszorbeált anyag átkerül a mozgó fázisba.

  3. Helyettesítő deszorpcióval más, sokkal jobban adszorbeálódó anyagot vezetnek az ágyra, ami kiszorítja az eredeti adszorbeált anyagot.

  4. Lecsökkentik az adszorbens ágy felett az adszorbeálódott anyag nyomását (gáz/gőz esetében) vagy koncentrációját (folyadék esetében), aminek hatására az adszorbeálódott anyag egy része deszorbeálódik. A négyféle eljárás közül leginkább a termikus deszorpciót alkalmazzák, mivel viszonylag könnyű és olcsó megoldás, illetve nincs szükség a deszorbeálódott anyag és a hordozó közeg utólagos kezelésére, szétválasztására.

Néhány adszorbens regenerálásának deszorbeálási hőmérséklet-tartománya:

aktív szén 105...115 °C
szilikagél 155...175 °C
aktív alumínium-oxid 175...320 °C
molekulaszűrő 200...300 °C

A termikus deszorpciót követően az adszorber ágyat meg kell tisztítani, ki kell szárítani, majd le kell hűteni az adszorpciós művelet munkahőmérsékletére.

Az adszorpciós művelet alkalmazhatóságát és hatásfokát több tényező is behatárolja:

  1. A vízben jól oldódó és kis méretű részecskék nem jól adszorbeálódnak.

  2. Nagy szennyezőanyag koncentrációknál drága az alkalmazása, ezért elsődleges tisztítási lépésnek sokszor nem alkalmas.

  3. Nem alkalmazható nagyobb mennyiségű olajszennyezések esetén, mivel az adszorber pórusai eltömődnek.

  4. Túl drága lehet akkor az eljárás, ha az aszorbeálandó szennyezőanyag koncentrációja olyan magas, hogy túl sűrűn kell cserélni az adszorbenst.

  5. A nem regenerálható adszorberek sokszor veszélyes hulladéknak számítanak, ezért kezelésük, megsemmisítésük drága.

Az aktív szenes adszorpció a legelterjedtebb adszorpcióhoz köthető talajvíz tisztítási eljárás. Ennek az oka az aktív szén viszonylag könnyű és olcsó előállíthatósága, beszerezhetősége, illetve a technológia kiforrottsága. Az aktív szén apoláros karaktere miatt általában hidrofób szerves vegyületek, pl. szerves oldószerek, üzemanyagok, halogénezett szénhidrogének, növényvédő szerek, szerves mikroszennyezők eltávolítására használják. Különböző széntartalmú anyagokból, pl. fából, kőszénből, kókuszdió héjából állítják elő úgy, hogy levegő kizárásával 1000 °C körüli hőmérsékleten izzítják a kiindulási anyagot. Az aktív szénre nagy porozitás és aktív felület jellemző, amely 1000-1500 m2/g is lehet. Pórusmérete igen változó, a vizes technológiáknál az az előnyös, ha a 2-4 nm átmérőjű mikropórusok vannak túlsúlyban. Az aktív szenet általában szemcsés és por formában használják (3.3. ábra) :

3.3. ábra - Az aktív szenes adszorpció reaktortípusai Az aktív szenes adszorpciót kétfajta reaktor konfigurációval valósítják meg. Fix ágyas ( a,b és c kép ), valamint a mozgó ágyas ( d kép ). A fix ágyas reaktorokban az áramlás lehet soros ( alul illetve felül kifolyós rendszerben ) vagy paralell.

Az aktív szenes adszorpció reaktortípusai Az aktív szenes adszorpciót kétfajta reaktor konfigurációval valósítják meg. Fix ágyas ( a,b és c kép ), valamint a mozgó ágyas ( d kép ). A fix ágyas reaktorokban az áramlás lehet soros ( alul illetve felül kifolyós rendszerben ) vagy paralell.


A porszemcsés aktív szén szemcsemérete 10-60 ̚m közé esik. Előnyösen alkalmazható állandósult vízminőség-romlás esetén átmeneti megoldásként , vízminőségi határértékek időnkénti átlépése során a felszíni vizek kezelésére, vagy havária esetén. Előnye, hogy általában nincs szükség külön tisztítóberendezésre és viszonylag alacsony költséggel megoldható a beavatkozás. Hátránya, hogy a szennyezést előzetesen oldatba kell vinni, majd az aktív szénről el kell távolítani. Csak kisebb zavarosságú vizekben alkalmazható, mert hamar telítődik.

A szemcsés aktív szén (GAC) általában reaktortöltetként használható, a szennyezett folyadék átvezetése különbözőképpen történik. Többnyire egy tisztítási folyamat utolsó lépéseként alkalmazzák a maradék szennyezések eltávolítására. Ha a tisztítás hatásfoka 20-30 % alá csökken, a töltetet termikusan vagy vegyi úton regenerálni kell.

A lebegő ágyas reaktorokban (tornyokban) a lassú felfelé áramlási sebesség a fix ágyas kiképzésnél hatékonyabb megkötést eredményez, mivel lebegés közben intenzívebb keveredés jön létre.

Fix ágyas eljárás esetén a szuszpendált szilárd anyagokat előzetesen el kell távolítani, mert azok megkötődhetnek és felhalmozódhatnak az adszorber ágy felületén, növelve a belső nyomásesést és az eltömődés veszélyét (kényszerleállás veszélye). Ha a nyomásesés már túl nagy, a felhalmozódott anyagot valamilyen módon el kell távolítani (pl. ellenirányú áramoltatással). Ez a folyamat azonban szénveszteséget és az aktív szenes zóna megszakadását eredményezheti.

Az eltávolítási hatásfokot és a töltet élettartamát növelheti, ha valamilyen nagyfelületű anyagra impregnálják a szenet. Ezzel a megoldással a regenerálás is biztonságosabban elvégezhető. Az aktív szén élettartama általában rövid, csak alacsonyabb szennyező anyag koncentráció esetében lehet hosszabb. A működtetés időtartama és a karbantartási igény függ a szennyező típusától, a koncentrációjától és a térfogatától. Az aktív szenes szűrőket általában termikus deszorpcióval regenerálják. A hőmérséklet emelkedés hatására deszorbeálódnak a megkötődött részecskék, amiket ezután valamilyen inert anyagárammal elszállítanak az adszorbens ágyról.

Bizonyos esetekben, pl. ha nagyon erősen adszorbeálódó anyagok kötődnek meg az adszorberen, vagy valamilyen viszkózus anyag eltömi a pórusokat, illetve a természetes elhasználódás miatt a regenerálás már nem gazdaságos, az elhasználódott adszorbenst veszélyes hulladékként kezelik (deponálják), vagy égetéssel hőként hasznosítják.

Az aktív szenet újabban szádfal töltetként is használják.

A szűrés alkalmazása a kárelhárítási, kármentesítési gyakorlatban

A szűrés az egyik legáltalánosabban használt elválasztás technikai művelet, amelyet a környezettechnológiai gyakorlatban általában a vízkezelés során alkalmaznak (ld. szennyvíztisztítási és vízkezelési technológiák, kémiai technológiák). A szűrendő részecske mérete szerint többféle technikai megoldás is lehetséges. A kármentesítési, kárelhárítási gyakorlatban a költség fajlagosok csökkentése érdekében a szükséges és elégséges megoldás kerül kiválasztásra. (3.4. ábra)

3.4. ábra - A gyakorlatban általánosan használt különböző szűrési műveletek. .

A gyakorlatban általánosan használt különböző szűrési műveletek.


Az arzénvegyületek vizekből történő eltávolítására mikro, ultra és nanoszűrést is használnak attól függően, hogy az előzetesen vas-oxi-hidroxid pelyheken megkötött vegyület milyen mérettartományú részecskéket képez. A fordított ozmózist a nanoszűréshez hasonlóan arzén vegyületek eltávolítására használják, de előzetesen nem szükséges a koagulálás.

A membrándesztilláció (3.5. ábra) illékony szerves vegyületek (VOC) vizes oldatokból való kinyerésére , illékony fermentációs termékek kinyerésére, szennyvíziszapok víztartalmának csökkentésére, savas oldatok töményítésére és sóoldatok koncentrálására használható környezettechnológiai eljárás. Az ellenáramban haladó két különböző hőmérsékletű folyadékot membrán választja el. A membrán két oldala közötti hőmérsékletkülönbség gőznyomás különbséget okoz, így egy anyagtranszport alakul ki a magasabb gőznyomású helyről az alacsonyabb irányába. Hidrofób membránokat alkalmazva a kapillárisok eltömődése minimalizálható.

Az anyagtranszport első lépése a komponens párolgása a magasabb hőmérsékletű oldalon, majd a gőz állapotú anyag transzportja a membrán pórusain keresztül, végül egy kondenzáció következik be az alacsonyabb hőmérsékletű oldalon.

A mikro, ultra és nanoszűrés, valamint a hiperszűrés csak különösen indokolt esetben alkalmazott művelet a kárelhárítási gyakorlatban, mivel drága és időigényes eljárás.

3.5. ábra - A membrándesztilláció elve.

A membrándesztilláció elve.


Termikus eljárások

Az égetési eljárások előnye a gyors szennyezőanyag (általában kőolajszármazékok) ártalmatlanítás. Hátrányuk az eltávozó gázok tisztításának szükségessége, az esetleges üzemzavar irreverzibilitása, valamint a hosszú engedélyeztetési eljárás. Csak az ex situ talajtisztítási eljárásként kivitelezhető, ami tovább növeli az egyébként is magas költségeket. A művelet során a talaj elveszíti talaj jellegét.

A termikus kezelés a kishőmérsékletű krakkolást (450–600 °C), a pirolízist (750–950 °C), és a nagyhőmérsékletű pirolízist (T ≻ 1200 °C) jelenti. A műveletek együttes alkalmazásával minden szénhidrogén szennyezés eltávolítható a talajból. Ex situ művelet, szállítható és telepíthető. Hátránya, hogy rendkívül költséges.

A plazmatehnológia a termikus kezelés olyan fajtája, amikor a szennyező az extrém magas kezelési hőmérsékleten plazma állapotba kerül. Míg 2000 °C felett az anyagok (gázok) atomjaikra bomlanak, addig 3000 °C felett az anyagok már elektront is veszítenek, amelynek következtében vezetik a villamos áramot. A vezetőképesség hőfokfüggő, amely ipari plazmagenerátoroknál 10 000 °C is lehet. A művelet előnye, hogy minden szerves és szervetlen mikroszennyező környezevédelmi ártalmatlanítására alkalmas. Termikus inerciája rendkívül kicsi, ami gyors folyamatszabályozást tesz lehetővé. Hátránya a rendkívül kötséges berendezés.