5. Agyagok környezetvédelmi felhasználása

Átírás

1 Agyagok környezetvédelmi felhasználása

2 112 Hulladéklerakók Kommunális hulladéklerakók Lerakóhely természetes földtani adottságai: (1) elég vastag, (2) kis áteresztőképesség, (3) nagy szennyezés-visszatartó képesség, (4) túlterjed a lerakón: agyagos képződmények (jobb, mint gránit, mészkő, sódóm stb.). Műszaki szigetelőréteg: aljzat-, (oldalsó), fedő-. Aljzatszigetelő réteg célja: csurgalékszivárgás elvezetése, mechanikai hatások kivédése, alatta: szigetelés. Fedőszigetelő réteg célja: csapadékelvezetés, kiszáradástól, fagytól való megóvás. Szigetelő tulajdonságok megváltozhatnak: adszorpció, szerves komplexek, vízvesztés, oldódás, reakciók hatására. Szigetelőrétegek ásványi eredetű elemei lehetnek: - természetes agyagok és agyagos talajok (pl. Svájcban: Opalinus, Montigel, szlovákiai Kárpátokban: szmektit+zeolit-tartalmú agyagkő) - tömörítéssel az áteresztőképesség (permeabilitás) csökken - elválasztó falak: bentonit, bentonit+cement stb. zagy - geoszintetikus szigetelőrétegek: geotextília vagy geomembrán (műanyag fólia) és ezek kombinációi Na-bentonittal - reaktív fal: permeábilis, de a mérgező anyagokat leköti. Pl. zeolit, bentonit, kovaföld, Al-oxid, hidrotalkit (anion-adszorpció) stb. Jelmagyarázat: rekultivációs réteg víz- és gáz-elvezető réteg dréncső geotextília geomembrán nem kötelező (országonként változó) elemek természetes anyagú szigetelő réteg vagy kis áteresztőképességű talaj hulladék altalaj 123. ábra. Kommunális hulladéklerakó (a) fedő- és (b) aljzat-szigetelő rendszerének elemei (Jessberger 1997 in Hermanns Stengele, R., Plötze 2000). Jelmagyarázat: k: szivárgási tényező (m/s egységekben)

3 113 Tűvel lyukasztott, szálakkal összekötött geotextília lemezek között Na-bentonit Két szőtt geotextília lemez között Na-bentonit + kötő (ragasztó) anyag Száltűzött, szőtt geotextília lemezek között Nabentonit + kötő (ragasztó) anyag Geomembránra (műanyag fóliára) egyik oldalt felvitt Na-bentonit + kötő (ragasztó) anyag 124. ábra. Bentonitos szigetelőlemezek típusai. Az Egyesült Államokban használt típusok (Daniel 1995) Fedő talaj Vízelvezető réteg (szivárgási tényező cm/s) Geomembrán Kis áteresztőképességű talajréteg (szivárgási tényező cm/s) Hulladék 125. ábra. Fedő szigetelő rendszer Egyesült Államokban javasolt elemei (Daniel 1995)

4 114 Radioaktív hulladék-elhelyezés Víz-agyag rendszer, vízáramlás és vízzárás agyagos kőzetekben. Törések öngyógyulása. Pl.: Mecsek hg., középső-perm Bodai Aleurolit: Nagy aktivitású radioaktív hulladék-elhelyezés. Illit, klorit (>montmorillonit). Küblerindex: 0,4-0,5 2Θ (mély diagenezis/anchizóna). Sok albit (10-20 %), diagenetikus, valószínűleg zeolitokból (analcimból). Dolomit, hematit. Félsivatagi folyóvízi, tavi üledék. Mecsek hg., gránit, Üveghuta: Kis és közepes aktivitású radioaktív hulladék-elhelyezés. Agyag- és karbonátásványok a gránit hasadékaiban, fedő vörös agyag és lösz rétegek ábra. A felső-perm Bodai Aleurolit Formáció (Upper Permian Boda Siltstone Formation) előfordulása Nyugati-Mecsekben (R. Varga et al. 2005) 127. ábra. Az illit kristályossági foka (IC) és K/Ar kora a Bodai Aleurolit Formációban (Árkai et al. 2000). A formáció illitjei a diagenezis zónája és az anchizóna határán vannak. A hasadékkitöltő illitek IC-értéke fordítva arányos a radioaktív korukkal. Jelmagyarázat: sötét körök: eredeti, tömör kőzet, üres körök: hasadékkitöltő anyag. IC: illit kristályossági fok (Kübler-index), D: diagenezis, A: anchizóna, E: epizóna

5 ábra. A Bodai Aleurolit mintáinak geokémiai jellege (Varga et al. 2005). A főelemek gyakorisága két geokémiai standardhoz viszonyítva (PAAS = post-archean Australian average shale, ARPS = average Russian Paleozoic shale). Feltűnő a Na és a P feldúsulása és a Ti hiánya mindkét standardhoz képest. Valószínűleg a sivatagi, sós tavi eredetű, Na-dús oldatok okozták a kőzet albitos cementálódását 129. ábra. A Bodai Aleurolit mennyiségi ásványos összetétele (Árkai et al. 2000) háromszögdiagramokban. Jelentős az albit-tartalom, a rétegszilikátok közül a legfontosabb az illitmuszkovit

6 ábra. Összefüggés az illit K-Ar kora és a 001 bázisreflexió félérték-szélessége között a Mórágyi-rög hasadékkitöltő illitjein (Maros et al. 2010). Az illit politípiája: 1M. A félértékszélesség növekedése az illit másodlagos, kishőmérsékletű elváltozását mutatja, aminek következtében Ar-veszteség, és látszólagos fiatalodás következik be. Az illit-képződés legmegbízhatóbb kor-adatai: 215 és 230 millió év (késő-triász, karni) Példák mérnökgeológiai alkalmazásokra Norvégiai quick clay ( hirtelen agyag ) Illit és klorit. A jégkorszak végén, jégolvadáskor ülepedett le, mészmentes. Édesvizes kilúgozás, szerves komplex-képződés, oxidáció hatására elveszti az adszorbeált kationokat (Fe 3+, Al 3+, Ca 2+, Mg 2+ ), amelyek összetartják a flokkulált szerkezetet. Az kis mechanikai behatásra, vagy átázás következtében is összeomlik, az agyag szinte folyékonnyá válik. Stabilizálása: keverés NaCl-, CaO-val, KCl diffúzió. Hollóháza Földcsuszamlás bentonitosodott andezit és riolit felszínén. Alpok (Ausztria) Földgátak szigetelése bentonittal feljavított helyi agyagokkal.

7 ábra. Földcsuszamlás okozta károk norvégiai quick clay térszínen (Rosenqvist 1984) ábra. A quick clay agyagásvány-lemezkéi elrendeződésének vázlatos ábrázolása gyufaszálakkal (Rosenqvist 1984). Balra: stabil flokkulált szerkezet, amelyben az adszorbeált kationok vonzóereje összetartja a lemezkéket (normális agyag). Középen: a quick clay nedves átgyúrásával létrejövő, félig folyékony szerkezet, amelyben a kationok hiánya miatt az egyes lemezek közötti taszító erők lépnek fel. Jobbra: a quick clay kiszáradásával létrejövő szilárd anyag réteges szerkezete, amelyben azonban a flokkulált szerkezet nem alakul ki, ezért az továbbra sem lesz stabil 133. ábra. A quick clay stabilizálása autópálya-építés céljára Oslo közelében (Rosenqvist 1984). 1 m-es távolságra elhelyezett kutakba adagolták a KCl oldatot, amely beszivárgott az agyagba. Az ábra a talaj nyírószilárdságát (Su. KN/m 2 ) mutatja a kúttól való távolság függvényében, kb. 5,5 m mélységben. A vízszintes szaggatott vonal a kezelés előtti nyírószilárdság, amely a kút környezetében 2-3-szorosára nőtt

8 Vető (elmozdulással) Rétegdőlés Csúszás felszíne és iránya Kvarc-ér Magfúrás Mérnökgeológiai szondázás Geofizikai szondázás 134. ábra. A hollóházi földcsuszamlások földtani szelvényei (Zelenka et al. 2005). Felső szelvény: kb. Ny K, alsó szelvény: D É. Látható, hogy a csúszás a közel függőleges törésvonalak, karéjos suvadási síkok, valamint a bentonitosodott andezit, bentonitosodott riolittufa és a tengeri agyag enyhén dőlő rétegfelszínén következett be. Kőzetek: 1: talaj (nyirok), 2: tufás homok, 3: riolittufa, 4: tufahomok, 5: mozaikos szerkezetű agyag, 6: szürke agyag, 7: tarka agyag, (5-7: tengeri agyag), 8: andezit, 9: riolit BENTONITOS ANDEZIT BENTONITOS RIOLITTUFA TENGERI AGYAG TG DTG DTA 135. ábra. Termikus felvételek a hollóházi földcsuszamlásban résztvevő jellegzetes kőzetekről (Földvári M. felvételei, Zelenka et al. 2005). A C között jelentkező nagy adszorptív vízvesztés mutatja, hogy a minták montmorillonit tartalma nagy. A tengeri agyagban karbonát-ásványok is vannak

9 BENTONITOS RIOLITTUFA BENTONITOS ANDEZIT q q c TENGERI AGYAG TALAJ (NYIROK) d 136. ábra. Röntgen-diffrakciós felvételek a hollóházi földcsuszamlásban résztvevő jellegzetes kőzetekről (Zelenka et al. 2005). A 001-gyel jelölt nagy bázisreflexió mutatja, hogy a bentonitos riolittufa és andezit minták montmorillonit tartalma nagy. A tengeri agyagban és a nyirokban kevesebb, de még jelentős a montmorillonit tartalom, és több a kvarc (q). A tengeri agyagban karbonát-ásványok is vannak, c: kalcit, d: dolomit 137. ábra. Földgát vízzáró képességének növelése bentonittal, Alpok, Tirol, Ausztria (Wieden 1966). Jelmagyarázat: a: vízzáró mag (bentonittal feljavított helyi lejtőtörmelék), b: vízzáró fal (injektált tiszta bentonit), c: átmeneti zóna (szitált lejtőtörmelék), d: mechanikai támasztásra szolgáló földgát (eredeti állapotú lejtőtörmelék)

10 120 Egészségügy Szálló por Természetes ásványok és ipari eredetű műtermékek a porszemcsék között. Pl.: Bánffyhunyad (Kolozs megye, Erdély), városközpont: természetes agyagok és talajok összetevői: kvarc, kalcit, földpát, csillám, kaolinit + korom. Casirom tűzálló kerámiagyár környéke, Torda (Kolozs megye, Erdély): műtermékek: szilícium-karbid, korund, cristobalit, tridimit ábra. A szálló por szemcséi belélegezhető összetevőinek (63-1 μm) becsült százalékos aránya a Casirom tűzálló kerámiagyár környékén, Torda, Kolozs megye, Erdély (Farkas, Weiszburg 2006) 139. ábra. Röntgen-diffrakciós felvétel a fenti szálló por szemcsefrakcióiról, Casirom gyár, Torda (Farkas, Weiszburg 2006). Jól láthatók a kvarc, cristobalit és SiC reflexiói

11 121 Azbeszt A szálló por veszélyes összetevője. Rostos szilikát, két fő ásványfajta lehet: Szerpentin (krizotil)-azbeszt: nem káros. Amfibol-azbeszt: káros, rákkeltő. Csak ez utóbbi azbeszt-típust tartalmazó építőelemeket érdemes és gazdaságos kicserélni, ezért a csere előtt az azbeszt ásványtani vizsgálata szükséges (Tóth, Weiszburg 2000) ábra. Azbeszt szemcse pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) felvétele. Kémiai összetétele közelebb áll a szerpentin-azbeszthez (EDX mérés alapján). Szálló por a Romcim cement- és építőanyaggyár környékén, Egeres, Kolozs megye, Erdély (Farkas, Weiszburg 2006) Fluor Az agyagásványok, főleg a csillámok kristályszerkezetében az OH-t kismértékben F helyettesítheti. Az agyagos kerámiai nyersanyagok hevítésekor a fluor az OH-val együtt a levegőbe megy HF és SiF4 gázok formájában, korróziót, megbetegedést okozhat. Megkötése CaCO3 hozzáadásával részben lehetséges, amikor CaF2 keletkezik (Tressaud, ed. 2006). Pl.: Portugáliai agyagok F tartalma (Vieira et al. 1995): Bustos agyag, illit, szmektit: 0,65 % F, Aguada agyag, illit, kaolinit: 0,30 % F. Aveiro körzetében a tégla- és cserépipar havonta 45 tonna fluort bocsát ki a levegőbe. Gyógyiszap Gyógyhatás: adszorbeált ionok cseréje a bőrfelületen, nagy víztartalom miatt jó hőtartóképesség. Adszorpció főleg szerves anyagon, kisebb részben agyagásványokon. Pl.: Holt-tenger: kalcit, kvarc, dolomit, kősó, bischofit, kaolinit. Nincs benne szerves anyag, fekete színét finom eloszlású pirit okozza. Kolop (Szolnok megye): Tisza ártéri üledék: kvarc, kalcit, albit, montmorillonit, illitmuszkovit, klorit, szerves anyag (Fehérvári, Viczián 2006). Hévíz: főleg tőzeg, kevés szervetlen agyag (Hámor-Vidó, Tóth 2000). Olaszország: Különböző gyógyvizekkel kezelt, érlelt gyógyiszap. A kiindulási iszap előkészített bentonitos agyag, amelyben kb % szmektit van, és a szmektit adszorbeált kationjait Na-ra cserélték le. A Pavia környéki (Salice Terme stb.) sós, brómos-jódos vízzel való érlelés növeli tovább a legnagyobb mértékben az iszap kicserélhető és vízben oldható Na + tartalmát (M2-M4 minták a 140. ábrán, Veniale et al. 2004).

12 ábra. Különböző olasz gyógyvizekkel kezelt gyógyiszap röntgen-diffrakciós felvételei (Veniale et al. 2004). Az eredeti iszap ( virgin clay ) egy előzetesen kezelt bentonitos anyag, összetétele: szmektit, illit, kaolinit, kvarc, földpát, kalcit. A kezelés hatására a szmektit kicserélhető kationja Na +. A gyógyvízzel való érlelés kevés változást okoz az ásványtani összetételen, csak az adszorbeált kationok cserélődnek ki. Változás csak az M2 és M4 mintákon látszik, ahol a szmektit bázisreflexiója a kisebb d (nagyobb 2theta) értékek felé tolódott, valószínűleg hidroxidoknak a rétegközi térbe való beépülése következtében ( intergrades, az ábrán Int jelzéssel)

13 123 Irodalom az 5. részhez Árkai, P., Balogh, Kad., Demény, A., Fórizs, I., Nagy, G., Máthé, Z. 2000: Composition, diagenetic and post-diagenetic alterations of a possible radioactive waste repository site: the Boda Albitic Claystone Formation, southern Hungary. Acta Geol. Hung. 43, 4, Daniel, D. E. 1995: State of the art of U. S. landfill capping systems. Schr. angew. Geol. Karlsruhe Farkas I. M., Weiszburg T. 2006: Ülepedő és szálló por ásványtani vizsgálata a romániai Kolozs megyéből. Földt. Közl. 136, 4, Fehérvári M., Viczián I. 2006: Gyógyiszapok genetikája és kutatásának lehetőségei. Az európai Clay and Health projekt. Előadás az MFT Agyagásványtani Szakosztályában, febr. 13. Hámor-Vidó, M., Tóth, A. 2000: Geology, mining and utilisation of peat reserves in Hungary. Proc. 11th Intern. Peat Congr., Quebec City, Canada, 2000, Hermanns Stengele, R., Plötze, M. 2000: Suitability of minerals for controlled landfill and containment. In Vaughan, D. J., Wogelius, R. A. (ed.): Environmental mineralogy. EMU Notes in Mineralogy 2, Chapter 8, Eötvös University Press, Budapest. R. Varga, A., Szakmány, Gy., Raucsik, B., Máthé, Z. 2005: Chemical composition, provenance and early diagenetic processes of playa lake deposits from the Boda Siltstone Formation (Upper Permian), SW Hungary. Acta Geol. Hung. 48, 1, Rosenqvist, I. Th. 1984: Colloidal physics as basis for quick clay properties. In Cato, I. (ed.): Rapid Mass Movements in Soils. Striae 19, Uppsala. Tóth, E., Weiszburg, T. G. 2000: The state of asbestos in Hungary (abstract). In Fehér, B. et al. (ed.): Minerals of the Carpathians. Intern. Conf., Miskolc, Abstracts. Acta Min. Petr. Szeged 41, Suppl., 111. Tressaud, A. (ed.) 2006: Fluorine and the environment. Atmospheric chemistry, emission, & lithosphere. Advances in Fluorine Science 1. Elsevier, Amsterdam, Oxford. 300 p. Veniale, F., Barberis, E., Carcangiu, G., Morandi, N., Setti, M., Tamanini, M., Tessier, D. 2004: Formulation of muds for pelotherapy: effects of maturation by different mineral waters. Applied Clay Science 25, Vieira, A. I., Gomes, C. Rocha, F., Bobos, I. 1995: Emission and fixation of F and S in clay based ceramics (abstract). Geol. Carpathica, Ser. Clays 4, 2, th Conference on Clay Mineralogy and Petrology, Banská Štiavnica. Wieden, P. 1966: Bentonit als Dichtungsmittel beim Bau von Erdstaudämmen. VDI- Zeitschrift 108, 33, Zelenka, T., Kovács-Pálffy, P., Trauer, N. 2005: The role of expanding clay minerals in land movements at Hollóháza, Tokaj Mts. Acta Min.-Petr. Szeged 46,