Verwerken van grond, bindingsvormen

Zowel uit fysisch als chemisch oogpunt bezien is grond een zeer complex systeem. Nog afgezien van de diversiteit van grondsoorten zijn er vaak drie aggregatietoestanden: de vaste stof- (de eigenlijke grondbestanddelen), de vloeistof- en de gasfase, met ingewikkelde overgangen en tussentoestanden.
De vaste fase bestaat uit organisch en anorganisch materiaal, beide inhomogeen; de structuur bevat poriën en kanalen van uiteenlopende afmetingen, al dan niet gevuld met lucht of water. De vloeistoffase bestaat uit water in de grond. Dit water kan worden onderverdeeld in vrij grondwater en capillair, osmotisch dan wel adsorptief gebonden water, naast de chemisch gebonden typen kristalwater. In bijzondere gevallen kunnen organische verontreinigende stoffen in zulke hoge concentraties voorkomen dat lokaal een aparte vloeistoffase van pure verontreinigende stoffen ontstaat.
De gasfase bestaat uit de lucht en eventueel in de gasfase aanwezige verontreinigende stoffen in de poriën van de vaste gronddeeltjes, en is voornamelijk aanwezig indien de grond niet is verzadigd met water (dit is, boven de grondwaterspiegel).

De chemische en fysische verschijningsvorm van de verontreinigende stof en de mate waarin deze stof is/wordt gebonden in één of meerdere aggregatietoestanden zijn bepalend voor de mogelijkheid de verontreinigende stof uit de grond te verwijderen (reiniging), dan wel vast te leggen (immobilisatie).

Voor elk van de aggregatietoestanden worden de relevante aspecten toegelicht.

1.2.1 Vaste stof
De mate waarin de verontreinigende stoffen aan/in de bodembestanddelen zijn gebonden is bepalend voor de verwijderingsmogelijkheden uit het korrelvormige materiaal. Deze binding kan op verschillende manieren bestaan, te weten:

• geen binding (de verontreinigende stoffen bevinden zich als discrete deeltjes tussen de bodembestanddelen);
• verkleefd aan het oppervlak van de bodembestanddelen;
• in de poriën van de bodembestanddelen;
• chemisch gebonden;
• kristalgebonden, in de kristalstructuur van de bodembestanddelen ingebouwd.

Figuur D1.1 Bindingsvormen

Geen binding
Voor verontreinigende stoffen die als discrete deeltjes aanwezig zijn behoeft geen bindingskracht met de dragerdeeltjes te worden overwonnen. De chemische en fysische verschijningsvorm is divers, o.a. elementair voor de metalen, in complexen (cyaniden), in vaste organische klonters (teerballen).
Bij thermische reiniging betekent dit dat de evenwichtsdampspanning hoger moet zijn dan de dampspanning in de gasfase. In de praktijk heerst (nagenoeg altijd) atmosferische druk. Indien de evenwichtsdampspanning hoger is dan één atmosfeer verdampt de verontreinigende stof uit de grond onafhankelijk van de concentratie in de gasfase. Deze dampspanning wordt bereikt bij een kleine temperatuurverhoging boven het kookpunt.
Bij de natte reiniging is het door deeltjesscheiding mogelijk concrete deeltjes van verontreinigende stoffen te verwijderen en zal de verontreiniging gemakkelijk van het oppervlak losgemaakt kunnen worden door intensieve menging in een watersuspensie (scrubben).
Bij de biologische reiniging zijn concrete vaste deeltjes niet eenvoudig te reinigen. De reden hiervoor is, dat het deel van de verontreinigende stof dat in het inwendige van de discrete deeltjes aanwezig is, niet of zeer slecht bereikbaar is voor de micro-organismen. In het algemeen zal de betreffende stof moeten desorberen van de vaste fase naar de waterfase voordat er sprake kan zijn van biologische afbraak. In het geval van discrete deeltjes is er slechts een klein deel van de totale massa verontreinigende stof aan het oppervlak aanwezig, mede doordat deze deeltjes niet of nauwelijks poreus zijn. Thermische en natte reiniging hebben in dit soort gevallen dus een duidelijk principieel voordeel boven biologische reiniging.
Bij koude immobilisatie kunnen concrete deeltjes worden ingebouwd in de kristalstructuur van het immobilisaat. De binding is echter sterk afhankelijk van de chemische samenstelling. Organische stoffen binden nauwelijks met cementachtige structuren. Bij thermische immobilisatie van organische stoffen geldt hetzelfde als bij thermische reiniging. Metaaldeeltjes kunnen worden gesmolten en worden opgenomen in de kristalstructuur.

Verkleefd aan oppervlak
Een voorbeeld hiervan is teer verkleefd aan gronddeeltjes. Het deeltje kan hierdoor andere fysische eigenschappen hebben. Deze verschillen zijn echter minder nadrukkelijk dan bij een voorkomen als discreet deeltje.
Bij thermische reiniging betekent dit dat de grond slechts tot een temperatuur van enkele graden boven het kook-, sublimatie- of ontledingspunt van de betreffende verontreinigende stoffen hoeft te worden verhoogd, om een evenwichtsdampspanning te bereiken van één atmosfeer.
Bij de natte reiniging zal meer energie voor het losmaken van deze verontreiniging noodzakelijk zijn. Voor de micro-organismen is deze vaste stof moeilijker toegankelijk, zodat biologische reiniging minder geschikt is.
Bij koude en thermische immobilisatie geldt grotendeels hetzelfde als voor concrete deeltjes. Met name de inkapseling van organische stoffen bij koude immobilisatie kan moeilijk zijn.

Ingebouwd in poriën
Verontreinigende stoffen die in de bodembestanddelen aanwezig zijn, zijn (nog) sterker gebonden aan de bodembestanddelen dan bij verkleving/adsorptie aan het oppervlak het geval is. In de poriën kunnen de verontreinigende stoffen geadsorbeerd zijn aan het oppervlak van de poriën of zijn ingebouwd in de bodembestanddelen. Bekende voorbeelden van dergelijke poreuze dragermaterialen zijn puindeeltjes en grond met een hoog humusgehalte.
Deze verontreinigende stoffen kunnen slechts via diffusie het eigenlijke bodemmateriaal verlaten, wat een extra tijdsduur vereist.
Bij thermische reiniging betekent dit dat de grond tot een temperatuur van meerdere graden boven het kook-, sublimatie- of ontledingspunt van de betreffende verontreinigende stoffen dient te worden verhoogd, om een evenwichtsdampspanning te bereiken van één atmosfeer.
Bij de natte reiniging geldt dat de fysische eigenschappen van de deeltjes niet worden beïnvloed door de verontreiniging (met uitzondering van een oplosmiddel dat de verontreinigende stof doet oplossen). Deeltjesscheidingstechnieken hebben hierop geen effect. Wel blijken de kleinere deeltjes meer verontreinigende stoffen per massa te adsorberen dan de grotere deeltjes. Door deeltjesscheiding is het mogelijk het gehalte aan verontreinigende stoffen in de grovere fractie te verlagen.
Voor de micro-organismen is deze vaste stof moeilijker toegankelijk, zodat biologische reiniging minder geschikt is.
Bij koude immobilisatie geldt dat stoffen die in poriën zijn ingebouwd minder direct contact met de verhardende materialen hebben. Inkapseling zal daardoor minder problemen opleveren. Bij thermische immobilisatie geldt voor organische stoffen hetzelfde als bij thermische reiniging.

Chemisch gebonden
Chemische binding van componenten/verontreinigende stoffen aan mineralen (silicaten/aluminaten) speelt met name een rol voor anorganische componenten zoals zware metalen. Deze bindingsvorm is voor organische verontreinigende stoffen niet bekend.
Wel kunnen organische componenten middels een chemische binding aan/in organische fracties van de bodembestanddelen zijn vastgelegd. Een voorbeeld hiervan vormt de binding van dioxinen en PAK's aan humus.
Bij thermische reiniging betekent dit dat de grond tot een temperatuur van enkele tientallen °C boven het kook-, sublimatie- of ontledingspunt van de betreffende verontreinigende stoffen dient te worden verhoogd, om een evenwichtsdampspanning te bereiken van één atmosfeer. Bij temperatuur verhoging zullen de organische natuurlijke componenten boven enkele honderden °C uit elkaar vallen en deels als kleinere moleculen verdampen naar de gasfase deels als voornamelijk koolstof achterblijven in de grond. Hetzelfde geldt voor de ontleding van metaalcyanide complex bij temperaturen boven de 450 °C en de ontleding van de meeste kwikverbindingen.
Bij de natte reiniging zijn de chemisch gebonden verontreinigende componenten niet meer reinigbaar met uitzondering van de verontreinigende stoffen die met zuren oplossen en met oxidatiemiddelen ontleden. Wel zal door deeltjesscheiding concentratie in de fijnere fractie mogelijk zijn.
Bij de biologische reiniging kunnen de verontreinigende stoffen die chemisch gebonden aan de grond zijn verbonden, binnen reële procestijden niet worden gereinigd.
Bij koude immobilisatie worden de verontreinigende stoffen die chemisch aan de grondmatrix zijn gebonden mee ingekapseld, waardoor de uitloogbaarheid afneemt. Bij thermische immobilisatie zullen dezelfde processen optreden als bij thermische reiniging. Omdat de temperaturen hoger zijn, zullen ook andere metaalverbindingen dan kwikverbindingen ontleden.

Kristalgebonden
De verontreinigende stoffen, die in de kristalstructuur van de vaste stof zijn ingebouwd, zijn zo vast gebonden dat deze stoffen niet beschikbaar zijn voor enige verwijdering. In zeer lang durende processen kunnen deze stoffen weer beschikbaar komen.
Bij thermische reiniging betekent dit dat de grond tot een temperatuur van meerdere tientallen graden boven het kook-, sublimatie- of ontledingspunt van de betreffende verontreinigende stoffen dient te worden verhoogd, om een evenwichtsdampspanning te bereiken van één atmosfeer. Een voorbeeld van het loskomen is de verwijdering van kristalwater van een aantal anorganische zouten bij temperaturen tussen 130 °C en 250 °C.
Bij de natte reiniging zijn deze verontreinigende stoffen alleen door fractionering te scheiden.
Met biologische reiniging kunnen deze verontreinigende stoffen niet worden verwijderd. Bij koude immobilisatie worden deze verontreinigende stoffen ingekapseld. De verontreinigende stoffen zijn nog wel aanwezig maar blijven naar verwachting op middellange termijn ook geïmmobiliseerd. Bij thermische immobilisatie geldt hetzelfde als bij thermische reiniging, maar in versterkte mate. De temperaturen zijn immers hoger.

1.2.2 Vloeistof
De verontreinigende stoffen in de vloeistoffase zijn in een mobiele fase aanwezig en redelijk eenvoudig te verwijderen. Alle verontreinigende stoffen in de vaste fase zijn in evenwicht met de opgeloste fase. De mate van oplosbaarheid van de verontreinigende stoffen beïnvloedt de mate waarin verontreinigende stoffen door extractie en door biologische omzettingen kunnen worden verwijderd.
Bij de thermische reiniging betekent de vloeistoffase in de vorm van water een kostenverhogende factor, immers alle water moet worden verdampt ten koste van een energietoevoer.
Bij de natte reiniging zijn alle verontreinigende stoffen in de vloeistoffase te verwijderen.
Bij de biologische reiniging zijn de verontreinigende stoffen in de vloeistoffase het meest geschikt voor biologische afbraak.
Bij koude immobilisatieprocessen worden vloeistoffen gebonden in de matrix en/of de kristalstructuur van het immobilisaat. De mobiliteit neemt daardoor (sterk) af.
Bij thermische immobilisatieprocessen worden alle vloeistoffen uitgedampt en in volgende processtappen verwerkt.

1.2.3 Gas
De verontreinigende stoffen in de gasfase zijn het meest mobiel. In de praktijk gaat deze verwijdering zo snel dat deze al is gerealiseerd voor de werkelijke bewerking.
Bij de thermische reiniging worden de verontreinigende stoffen in de gasfase als eerste verwijderd bij temperatuurverhoging van de grond.
Bij de natte reiniging worden deze stoffen uit de grond verdreven door het in suspensie brengen van de vaste stof.
Bij de biologische reiniging worden deze verontreinigende stoffen vaak verwijderd door beluchten.
Bij koude immobilisatieprocessen worden gassen uitgedreven tijdens de mengfase. Vastlegging vindt niet plaats. Bij thermische processen worden deze verontreinigende stoffen als eerste verwijderd bij temperatuurverhoging.

Tabel D1.1 Aangrijpingspunten verwerkingstechnieken