Koude immobilisatie grond, uitgangspunten voor het ontwerp

2 UITGANGSPUNTEN VOOR HET ONTWERP(Zie literatuurverwijzing 3, 4, 8)

2.1 Voorbehandeling

Een materiaal kan pas worden geïmmobiliseerd nadat het een voorbehandeling heeft ondergaan. Deze voorbehandeling bestaat (analoog aan andere verwerkingstechnieken van grond) uit het ontijzeren, het verwijderen van de zeer grove fractie, en het homogeniseren van het materiaal. Afhankelijk van de toe te passen techniek zal het te verwerken materiaal daarna een of meerdere van de volgende bewerkingen moeten ondergaan:
- verkleining;
- toevoeging van additieven;
- droging;
- voorverwarming.
Na deze conditioneringsstap kan de feitelijke immobilisatie plaatsvinden.

2.2 Koude immobilisatie(Zie literatuurverwijzing 7, 17)

2.2.1 Anorganische toevoegingen / bindmiddelen
Anorganische of hydraulische bindmiddelen zijn materialen die een verharding veroorzaken door een reactie met water. De belangrijkste anorganische bindmiddelen zijn materialen die een cementeringsreactie teweegbrengen. De daaropvolgende kristallisatie of polymerisatie levert een hard, waterbestendig product. Een belangrijk deel van de werking van deze bindmiddelen berust op de versteviging door inkapseling in een slecht doordringbare matrix. Daarnaast kan een chemische binding aan het bindmiddel optreden. Dit kan door het gebruik van additieven worden versterkt. Veel toegepaste additieven zijn al dan niet gemodificeerde kleimineralen, zeolieten en waterglas.
Op grond van de hydraulische waarde van de bindmiddelen wordt een onderscheid gemaakt tussen hydraulische bindmiddelen, latent hydraulische bindmiddelen en puzzolanen.
Hydraulische bindmiddelen verharden spontaan bij contact met water. Tijdens het verharden ontstaat een structuur door ineenvlechting van dunne, dicht opeengestapelde silicaatvezels (polymerisatie). Deze matrix slaat de toegevoegde aggregaten op in een steenachtige massa. De verontreinigde grond is in feite de vervanging van de gebruikelijke toeslagstoffen in beton, zand en grind. Belangrijke bindmiddelen in deze groep zijn de verschillende cementsoorten.
Latent hydraulische bindmiddelen (o.a. synthetische slakken) hebben de juiste samenstelling om te kunnen cementeren, maar moeten eerst worden geactiveerd met bijvoorbeeld NaOH of portlandklinker.
Puzzolanen (o.a. vulkanische afzettingen en vliegas van kolengestookte energiecentrales) zijn materialen met een latent hydraulische werking die, omdat ze een zeer laag calciumgehalte hebben, een externe calciumbron nodig hebben om de cementeringsreactie op gang te brengen.

De uitloogbaarheid van de verontreinigende stoffen uit het gecementeerde materiaal is afhankelijk van de fysische eigenschappen:
- de porositeit en porie(grootte)verdeling bepalen de permeabiliteit van het materiaal en daarmee de contactmogelijkheden tussen de verontreinigende stof en een transportmedium;
- de sterkte of duurzaamheid van het materiaal is van invloed op de immobilisatie op lange termijn.

Bovengenoemde fysische eigenschappen worden bepaald door het type bindmiddel, de water/bindmiddel-verhouding, de bindmiddel/afvalstof-verhouding en de fysische en chemische eigenschappen van de afvalstof, alsmede de procesomstandigheden (temperatuur, tijdsduur en pH) tijdens de immobilisatie. Verontreinigende stoffen die sterk zijn gebonden aan de matrix of als vaste fase in de specie voorkomen, kunnen met behulp van anorganische bindmiddelen effectief worden geïmmobiliseerd omdat er naast de al bestaande chemische binding ook een fysische binding tot stand wordt gebracht.
Vastlegging van anorganische verontreinigende stoffen in de verharde matrix kan plaatsvinden door adsorptie/fixatie aan grond, opname in kristalroosters, adsorptie (chemisorptie) aan de matrix en precipitatie (neerslaan), coprecipitatie (neerslaan met andere componenten).

Anionen (o.a. chroom in anionvorm en cyanide) zijn moeilijk te fixeren met anorganische bindmiddelen omdat ze niet precipiteren als hydroxide en meestal niet worden opgenomen in kristalroosters.
Organische verontreinigende stoffen vormen een probleem bij deze immobilisatietechniek, omdat ze het hardingsproces kunnen vertragen en omdat er een geringe chemische fixatie aan de matrix optreedt.
Over de vastlegging van organische verontreinigende stoffen en de invloed van additieven op de mate van vastlegging bestaat onduidelijkheid.
Kationen als zware metalen kunnen over het algemeen goed worden vastgelegd, door de vorming van metaalhydroxiden. Deze zijn slecht oplosbaar bij pH 8 - 10, maar de oplosbaarheid neemt sterk toe bij zowel een hogere als een lager pH.

2.2.2 Organische bindmiddelen

Thermoplasten
Bij de technieken op basis van organische bindmiddelen wordt de afvalstof gemengd met een organisch bindmiddel dat door verhitting plastisch is gemaakt (thermoplasten). Het bekendste voorbeeld van organische bindmiddelen is asfaltbitumen dat in de wegenbouw wordt gebruikt. Daarnaast kunnen ook andere thermoplastische materialen worden gebruikt zoals paraffine of polyethyleen. Voor de immobilisatie op basis van organische bindmiddelen moet de afvalstof eerst een voorbehandeling ondergaan. Het afval wordt eerst gedroogd, vervolgens verhit en dan door een verhitte organische matrix gedispergeerd.
Het mengsel wordt vervolgens afgekoeld tot het een vaste massa vormt.
De gewichtsverhouding tussen matrix en afval is meestal hoog, 1 : 1 tot 1 : 2.

Thermoharders
Naast thermoplasten kunnen voor de immobilisatie ook thermoharders of organische polymeren worden gebruikt. Deze technieken zijn gebaseerd op het omgeven van de afvalstof met een kunststof (micro-inkapseling). Kenmerkend voor de technieken op basis van organische bindmiddelen is dat de vastlegging voornamelijk is gebaseerd op een fysische inkapseling. De meest geteste techniek is die met Urea-formaldehyde (UF Systeem). Bij dit systeem wordt de natte afvalstof gemengd met de tamelijk goedkope hars, waarna in een zuur milieu polymerisatie plaatsvindt. Ook worden in water oplosbare polyesters gebruikt. Deze harsen zijn duurzamer, maar ook aanzienlijk duurder.
In Nederland wordt een procédé aangeboden op basis van polyester harsen.

De toepassing van organische bindmiddelen is beperkt omdat de techniek alleen toepasbaar is voor relatief droge afvalstoffen en omdat de matrix kan worden aangetast door onder andere olie, vetten en oxidatoren uit het afval. Daarnaast moet bij de toepassing van thermoplasten rekening worden gehouden met de vervluchtiging van organische componenten.

2.3 Chemische fixatie

Bij chemische fixatie kan onderscheid gemaakt worden gemaakt in systemen waarbij specifieke additieven enkele
verontreinigingen vastleggen en systemen waarbij voor een breed scala van veronreinigingen naar een optimale conditie wordt nagestreefd. Voorbeelden van eerstgenoemde systemen zijn: de reductie van 6-waardig chroom naar het minder mobile en onschadelijke 3-waardig chroom, het binden van zware metalen met sulfiden en het fixeren van loof met fosfaat. Een voorbeeld van laatstgenoemde systemen is het optimaliseren van de pH en de redoxcondities van een materiaal.
Chemische fixatie wordt veelal in combinatie met anorganische bindmiddelen toegepast.