Richtlijn herstel en beheer (water)bodemkwaliteit

Isolatie, in situ immoblisatie, technieken en uitvoeringsvormen, in situ vitrificatie

In situ vitrificatie
Tussen een aantal in de grond geplaatste elektroden wordt een spanning opgebouwd. In eerste instantie smelt een aan het maaiveld aangebrachte laag bestaande uit grafietvlokken en gemalen glas. Van hieruit smelt de grond die op zijn beurt als een geleider gaat werken waardoor het proces zich in verticale richting naar beneden uitbreidt.

De elektroden, die bestaan uit grafietcilinders met een diameter van 30 cm, kunnen worden geplaatst in een raster van circa 7,50 meter. Er wordt een wisselspanningsbron gebruikt met een capaciteit van 2000 kW/m3. Bij temperaturen boven de 1000°C smelt het bodemmateriaal. De temperaturen kunnen oplopen tot 1600-2000 graden Celsius (zie literatuurverwijzing 13). Als de grond gesmolten is wordt het grafiet geoxideerd. De gesmolten grond geleidt de spanning en de hoeveelheid gesmolten grond groeit zijwaarts en naar beneden uit. Organische stoffen worden vernietigd door pyrolyse, organische stoffen dicht bij het oppervlak zullen deels ook verdampen. Dit geldt ook voor anorganische stoffen met lage kookpunten zoals cyaniden (440°C), kwik (360°C), arseen (600°C) en cadmium (770°C). Als vluchtige stoffen worden verwacht is een overkapping noodzakelijk evenals een luchtbehandelingsinstallatie, apparatuur voor controle van emissies naar de lucht en procesbewakingsapparatuur. Het smeltproces duurt 7 -10 dagen (zie literatuurverwijzing 13). Bij afkoeling ontstaat een chemisch inert en stabiel glasachtig materiaal met een nieuw silicaatrooster. De overgebleven as wordt ingekapseld in een verglaasde matrix. De trek- en druksterkte van het eindprodukt is zeer hoog. De afkoeling beslaat een periode van enkele maanden tot een jaar of meer (zie literatuurverwijzing 13). Op het behandelde terrein dient desgewenst een aanvulling plaats te vinden tot maaiveldhoogte.

Stadia van thermische verwerking
Bij de thermische verwerking dient onderscheid te worden gemaakt tussen de stadia voorverwarming, sintering en verglazing. Het sinter- of viscositeitstraject is het temperatuurbereik tussen het begin van de smelt (softening point) en het punt waarop de gehele massa in vloeibare (glas)fase overgaat (melting point).

  • Voorverwarming: het aanwezige water wordt verdampt en de organische stof wordt verbrand, hetgeen gepaard gaat met een grote volume- en gewichtsvermindering. De verbranding van het organisch materiaal vindt plaats in het temperatuurbereik van 300-900 °C.
  • Sintering: een stabiele vaste fase wordt gevormd door het aan elkaar groeien van korrels in het uitgangsmateriaal, hetgeen gepaard gaat met een sterke afname van de porositeit. De verkitting is deels het gevolg van chemische reacties en rekristallisatie (droge sintering). Het belangrijkst voor het verkrijgen van een hard produkt is de gedeeltelijke smelt (natte sintering). Voor baggerspecie begint de natte sintering tussen 950 en 1050 °C.
  • Verglazing (vitrificatie): het smelten van baggerspecie vindt plaats tussen 1200 en 1400 °C. Door snelle afkoeling is de mate van kristallisatie gering en ontstaat een glasachtig produkt, waarin de chemische verbindingen willekeurig zijn gerangschikt.

Bij de thermische behandeling verdwijnen de oorspronkelijke bindingsplaatsen van verontreinigende stoffen: organisch materiaal wordt afgebroken, kleimineralen worden omgevormd en oxyden en hydroxiden worden (deels) omgesmolten. Onder oxyderende omstandigheden worden echter metaaloxyden en/of spinellen (dubbeloxyden) gevormd die kunnen worden ingebouwd in het silicaatrooster. Zware metalen die op deze wijze worden vastgelegd zijn niet meer beschikbaar voor uitloging. Bovendien vindt bij thermische verwerking een verlaging van het specifiek oppervlak plaats, waardoor nauwelijks meer contact mogelijk is tussen de metalen en water.

Organische verontreinigende stoffen zijn door de hoge temperatuur waarop de verwerking plaats vindt niet meer in het eindprodukt aanwezig omdat ze volledig worden afgebroken of verdampen.

Proefproject in USA
In situ vitrificatie is in de Verenigde Staten toegepast op een tweetal locaties in Hanford, Washington. De grond wordt door een opgewekte elektrische stroom verwarmd. Met een onderlinge elektrode-afstand van 3,5 - 5,5 m en een spanningsbron van 3750 kW is een temperatuur van 2000 °C bereikt. De kosten, die sterk van de energieprijs afhangen, werden in 1988 geschat op $ 140 -$ 290 per m3 grond. Tot een diepte van 4,5 en 5,2 m heeft in situ vitrificatie van de bodem plaatsgevonden. Tussen de 90 en 99,99% van de verontreinigende stoffen werden gevitrificeerd, de rest is aan het oppervlak in gasvorm opgevangen en behandeld.