Werkingsprincipe immobilisatietechnieken voor baggerspecie

Immobilisatie is een behandeling waarbij de fysische en/of chemische eigenschappen van een afvalstof worden gewijzigd, zodanig dat de kans op verspreiding van milieuverontreinigende stoffen door uitloging, erosie of verstuiving zowel op de korte als op de lange termijn wordt verminderd.

Het werkingsprincipe van koude en thermische immobilisatie van baggerspecie wordt hieronder toegelicht.

Koude immobilisatie
De techniek is veelal ontwikkeld als een funderingstechniek, waarbij bodems met geringe draagkracht worden verstevigd, en is dus niet van oorsprong ontwikkeld voor de vastlegging van verontreinigingen. Een groot deel van de werking berust op de versteviging van de specie (inkapseling) door het hard worden van de toegevoegde bindmiddelen. Daarnaast kan fysisch-chemische binding plaatsvinden tussen het bindmiddel en verontreinigingen in de afvalstof. Voor sommige typen verontreiniging, die niet door de bindmiddelen worden vastgelegd, zouden additieven kunnen worden toegevoegd om deze stoffen alsnog voldoende te immobiliseren.

De anorganische bindmiddelen veroorzaken een verharding als gevolg van een reactie met water (hydratatie). Ze worden daarom ook wel hydraulische bindmiddelen genoemd. Voorbeelden zijn: Portlandcement, synthetische slakken, puzzolanen (vulkanische afzettingen, vliegas), waterglas. Daarnaast vallen ook systemen die werken op basis van kalk of gips onder deze categorie bindmiddelen. Vaak wordt een combinatie van verschillende bindmiddelen gebruikt om het gewenste resultaat te bereiken.

Thermische immobilisatie
Bij de thermische verwerking van baggerspecie kunnen twee technieken onderscheiden worden: sinteren en smelten. De basis van beide technieken is gelijk: het dusdanig verhitten van het materiaal dat gedeeltelijke of zelfs volledige smelt optreedt. Door de smelt en vervolgens rekristallisatie van het materiaal kan een verhard product worden gevormd.

Bij sintering wordt een stabiele vaste fase gevormd doordat de korrels in het uitgangsmateriaal aan elkaar groeien. De porositeit van het materiaal neemt hierdoor sterk af. De verkitting is deels het gevolg van chemische reacties en rekristallisatie van de mineralen (de zgn. droge sintering). Als het sinterproces hier wordt gestopt, spreekt men van een gebakken (keramisch) product. Het belangrijkst voor het verkrijgen van een hard product is echter de gedeeltelijke smelt (natte sintering). Voor baggerspecie begint dit laatste proces tussen de 950 en 1050 °C. Bestanddelen met een laag smeltpunt gaan over in een viskeuze massa die in de poriën tussen de nog niet gesmolten bestanddelen dringt. Er ontstaan feitelijk twee fasen: de aanwezige kleimineralen sinteren grotendeels, en het aanwezige kwarts smelt gedeeltelijk. Bij dit proces ontstaat een product met hoge sterkte. De vorming van een verglaasde huid om de korrels beperkt het wateropnemend vermogen en verhoogt de druksterkte. Temperatuur luistert heel nauw bij dit proces: bij te hoge temperatuur treedt vervloeiing op, waardoor het product andere vormen gaat aannemen.

Daar voor de productie van grind het materiaal al voor de thermische behandeling wordt vormgegeven, worden, om een vormvast product te krijgen, eisen gesteld aan het organisch stofgehalte en het vochtgehalte van de specie. De samenstelling is echter geen probleem als er minder hoge eisen aan het gesinterde product worden gesteld (in geval van toepassing als toeslagstof).

Als langer en bij nog hogere temperaturen wordt verhit, treedt volledige smelt op. In geval van smelten en kristalliseren is een hoog % organisch materiaal geen probleem, wel is echter de minerale samenstelling van belang. Voor het smelten speelt de basiciteit ((CaO + MgO + Fe2O3)/(SiO2 + Al2O3)) van het materiaal een rol: een hogere basiciteit leidt tot een lagere smelttemperatuur. Daarnaast bestaat het vermoeden dat aluminiumoxide de kristallisatie bevordert. Door het bijmengen van toeslagstoffen als CaO, MgO of Na2O kan een optimale samenstelling verkregen worden voor het smelten en vervolgens kristalliseren van het materiaal. Het materiaal kan in vormen worden gegoten, en dan worden toegepast als vormgegeven bouwstof. Hiertoe wordt de baggerspecie gesmolten bij een temperatuur van 1200-1400 °C. Door snelle afkoeling is de mate van kristalliseren gering, en ontstaat een glasachtig product (verglazing). Als de smelt langzamer, en onder goed gecontroleerde condities, wordt afgekoeld, kan volledige kristallisatie optreden, waarbij een basaltachtig product ontstaat.

Bij thermische verwerking worden de organische verontreinigingen verbrand. Daarnaast verdwijnen de oorspronkelijke bindingsplaatsen van de zware metalen: organisch materiaal wordt afgebroken, kleimineralen worden omgevormd en oxiden/hydroxiden worden (deels) omgesmolten. Het specifiek oppervlak van het materiaal wordt sterk verlaagd, hetgeen het risico van uitloging al sterk vermindert. Als onder oxiderende omstandigheden gewerkt wordt, zullen de meeste metalen in oxidevorm in de smelt achterblijven en tijdens de kristallisatie ingebouwd worden in het silicaatrooster. Zware metalen die op deze wijze zijn vastgelegd, zijn helemaal niet meer beschikbaar voor uitloging. Onder reducerende omstandigheden vervluchtigen veel metalen en kan een deel van de zware metalen als metaal apart worden afgetapt; de overige metalen worden ook sterk in het immobilisaat vastgelegd.