SKOLFÖRSÖK Experiment i mesoskala tillsammans med Kyrkbacksskolan i Kopparberg

Transkript

1 SKOLFÖRSÖK Experiment i mesoskala tillsammans med Kyrkbacksskolan i Kopparberg Bakgrund och syfte Lakvatten med lågt och höga metallhalter är vanligt i områden där det finns gamla gruvavfallsdeponier. Belastningen från gruvavfallet på den omkringliggande miljön har negativa effekter på växtlighet och djurliv. Ett exempel på ett sådant gammalt gruvområde finns i de centrala delarna av Kopparberg, ett område kallat Ljusnarsbergsfältet. Sedan början av 1600-talet fram till 1975 har metaller, främst koppar och zink, utvunnits ur berget och är den stora anledningen till att bygden blev till och fick sitt namn. På så sätt är alltså gruvbrytningen en väldigt viktig del i bygdens historia. Fältet är betecknat som fornlämning och den kulturhistoria som finns kvar i form av gamla gruvhål, vattenkonster (pumpar) och dylikt bevaras med hjälp av anläggandet av vandringsstigar, informationstavlor om olika brytningstekniker samt diverse historiska skildringar. Bevarandet av de gamla gruvorna är viktigt ur ett kulturhistoriskt perspektiv, på samma gång som det ur ett miljömässigt perspektiv är viktigt att de gamla gruvavfallsupplagen inte förgiftar omkringliggande miljö. Därför måste en behandling av gruvavfallet komma till stånd för att minska miljöbelastningen, samtidigt som man måste ta hänsyn till kulturmiljön. Den mest effektiva behandlingen av surt gruvavfall som läcker metaller till omgivningen är att höja. -höjningen kan göras i lakvattnet, genom att man installerar filter som vattnet måste passera, eller så försöker man höja direkt i avfallet. Då tillsätter man -höjande ämnen till gruvavfallet innan det hinner producera det sura lakvattnet. På det senare sättet kan man lite grovt säga att man minskar uppkomsten av surt lakvatten redan vid källan, medan man i filtervarianten tar hand om det sura lakvatten som bildats. Syftet med de aktuella experimenten är att se om man kan tillsätta olika -höjande (alkaliska/basiska) material till ett surt gruvavfallsmaterial från Ljusnarsbergsfältet i Kopparberg, och därigenom minska uppkomsten av surt, metallrikt lakvatten. Experimenten utförs i en skala som är något större än labskala, kallad mesoskala. I labskala rör det sig oftast om omkring ml, medan i mesoskalan ca liter. I försöken blandas materialen noggrant, vilket är en nyckelfaktor, då resultaten kommer att jämföras med experiment där samma material ingår, men där de istället för att vara blandade är varvade i distinkta lager. Utförande 8 stycken 30 L dunkar packas med noggrant blandade blandningar av en finfraktion (<13 mm) gruvavfall (90 volyms-%) och ett alkaliskt material (10 volyms-%). Materialen blandades på testfältet i Kopparberg under september månad (se bild 2). Dunkarna är försedda med en tappkran i botten (ett nät sitter innan kranen för att förhindra att material följer med vid tappning). En suglysimeter har placerats i mitten av dunken för provtagning. En av dunkarna saknar alkaliskt material och kallas referens. Bild 1 visar en experimentdunk packad med gruvmaterial och LD-sten, en restprodukt från stålindustrin.

2 Bild 1: Bilden visar experimentdunk packad med LD-sten och gruvavfall. Alla experimentdunkar (8st) står i en källarlokal på Kyrkbacksskolan i Kopparberg. Vattning sker kontinuerligt varje vecka med hjälp av en graderad vattenkanna. Prover tas ut i botten av varje dunk samt genom suglysimetrar som är installerade i mitten av varje experimentdunk. På bilden syns lysimeterslangen från vilken man kan ta prover från dunkens mittdel. Det praktiska arbetet med experimenten sköts av elever i årskurs 7 på Kyrkbacksskolan i Kopparberg. Sju grupper om vardera sex elever har ansvar för varsin experimentdunk. Experimentdunkarna har efter packningen placerats i en källarlokal (med vatten och avlopp) på skolan (se bild 3). Under ca ett år kommer försöken att vattnas varje vecka, för att simulera nederbörd, varefter prover tas ut ur tappkranen i botten. samt den mängd vatten som passerat genom dunkarna mäts och noteras av eleverna. Ytterligare provtagning och analyser (, elektrisk konduktivitet, alkalinitet, sulfat, klorid, nitrat, fluorid samt metaller) utförs parallellt av forskare från Örebro universitet. Alla alkaliska material är restprodukter och kommer från olika typer av industrier. LD-sten Restprodukt från stålindustrin/ståltillverkning. Materialet består främst av olika oxider/hydroxider såsom kalk (CaO), järnoxid (FeO), kiseldioxid (SiO 2 ) och magnesiumoxid (MgO). Vid lakning av enbart LD-sten får man ett väldigt högt, ca 12,5.

3 Mesakalk Restprodukt från massatillverkning. Mesakalken i dessa försök kommer från Korsnäs Frövi. Innehållet är främst kalciumkarbonat (CaCO 3 ), men det förekommer även en viss andel släckt kalk (Ca(OH) 2 ). Vid lakning av enbart mesakalk fås ett på runt 11. Mesakalken benämns ibland med en förkortning för dess engelska namn lime mud (förkortas då LM). Bild 2: September 2009, Testfältet, Kopparberg. Start av försök, eleverna blandar sina material (gruvavfall blandas med 10 volyms-% alkaliskt restmaterial) och fyller därefter 30 L dunkar med blandningen. Grönlut Även denna restprodukt kommer från massatillverkning vid Korsnäs Frövi. Materialet består främst av natriumkarbonat (Na 2 CO 3 ) och natriumsulfid (Na 2 S). Vid lakning av grönlut får man ett liknande det för mesakalken, runt 11. Grönlut har också ett engelskt namn, green liquor dreg, förkortas GLD. Restprodukt från kalkindustrin, dvs då man bränner kalksten för att tillverka olika typer av kalkprodukter. en i de här försöken kommer från Nordkalk i Köping och består främst av (kalciumkarbonat/ kalkstensmjöl (CaCO 3 ) samt en viss andel bränd kalk (CaO). Den engelska benämningen för filterkalk är lime kiln dust och förkortas LKD. Då man lakar filterkalken för sig så får man ett på ungefär 12-12,5.

4 Bild 3: Uppställning av de åtta systemen i källarlokal på Kyrkbacksskolan, Kopparberg. Kalkgranuler Restprodukt från vattenavhärdning. Genom att tillsätta små silikakorn (sandkorn) i uppåtriktad ström till kalkrikt vatten i vattenverk, kommer man få en kalciumkarbonat-beläggning på silikakornet. Då en viss mängd kalciumkarbonat fastnat på kornet kommer den inte längre hållas uppe av den motriktade strömmen och faller då ned till botten (där de nu så kallade kalkgranulerna

5 samlas upp). Kalkgranuler kallas ibland också för vattenverksgranuler. Granulerna i de här försöken kommer från Uppsala Vatten. Vid lakning av granulerna får man ett på runt 8. Aska Frövi Restprodukt från energitillverkning med biobränsle. Askan kommer från e.on i Örebro och har legat ute i fria luften några år. Då den har legat ute har den dragit åt sig av luftens koldioxid och har därmed karbonatiserats (det har bildats en karbonatyta på de oxidytor som oftast förekommer hos askor). Karbonatiseringen har medfört att vid lakning av askan får man ett lägre, runt 9, mot det mer vanliga på ungefär 12 för en färsk aska. Aska från träbränsle från Korsnäs Frövi. Askan från Frövi har inte karbonatiserats på samma sätt som den från e.on. Vid lakning av Fröviaskan fås ett på ungefär 12. Resultat Sedan försöken startades i november har 25 liter vatten försetts varje experimentdunk. Då det tog några vattningar för att mätta systemen har ännu inte så stor volym vatten kunnat tas ut, mellan 3 och 10 liter (skiljer mellan vilket alkaliskt material som är iblandat). Detta ger en L/S-kvot (liquid/solid) på mellan 0,1 och 0,3. Bild 4 nedan visar den stora färgvariation som man ser vid provtagning. Den orange-gula färgen som ses mest i röret längst ut till vänster i bild, referensen, kan hänföras till järn/utfällning av olika järnfaser. Det näst mest järnrika provet är det som är ifrån kalkgranulsdunken. Bild 4: Prover tagna Från vänster till höger: Referens,, Kalkgranuler,, Mesakalk, LD-sten, Aska Frövi och Grönlut.

6 Det har visat sig att alla alkaliska inblandningar klarar att höja med minst 3 enheter. i referensdunken ligger runt 2,5 (figur 1), och det material som klarar att höja minst i det här skedet är askan från e.on, där ligger runt 4,5-5 (figur 2a) för närvarande. Resterande inbladningar har som ligger runt 6-7, högst återfinns i de dunkar som har filterkalk eller LD-sten som inblandning (figur 4). 3,0 2,8 Referens 2,6 2,4 2,2 2, Figur 1: i referensdunken. Mätvärden både från elevernas -pennor och från den -elektrod som används vid universitetets/bergskrafts provtagningar. Generellt kan man säga att ju högre desto bättre. Genom -höjning kommer halten av skadliga metaller som är lösta i lakvattnet att minska. Optimalt för att minska belastningen av metaller till områden nära gruvavfallsdeponier ligger runt 8-9. Eventuellt kommer att öka med tiden i lakvattnet från experimentdunkarna, det kan därför fortfarande vara svårt att uttala sig om vilken inblandning som ger det bästa resultatet.

7 Aska Frövi Figur 2a och b: i vatten som rinner ut från dunkarna som är inblandade med askor. Överst ses systemet med aska e.on; den just nu sämst fungerande dunken, med som ligger strax under 5. När det gäller att minska utläckaget av metaller så som koppar (Cu), zink (Zn), kadmium (Cd) och bly (Pb) är den viktigaste parametern att kontrollera. Som tidigare nämnt så minskar rörligheten för dessa metaller om ökar till minst 6, helst vill man dock ha en -ökning till 8-9, för att vara säker på att man verkligen minskar utläckaget av metaller. En annan viktig parameter som kan påverka utläckage av metaller i ett längre perspektiv är alkalinitet. Alkalinitet kan beskrivas som lösningens förmåga att motstå syra (lågt ). En lösning kan ha ganska högt (runt 8), men om den inte innehåller tillräckligt mycket alkalinitet, eller -buffrande mineral, så kan sjunka väldigt fort bara av en liten syratillsats. Kalkgranul

8 Grönlut Mesakalk Figur 3 a, b och c: i systemen med kalkgranul, grönlut och mesakalk. Alla tre systemen har runt 7. från kalkgranulsdunken ser ut att vara mer konstant än för grönlut (där ökar en aning med tiden) och mesakalk (där minskar något med tiden). Oftast har karbonatbaserade material, så som kalkgranuler och mesakalk, hög buffrande förmåga dvs. hög alkalinitet. Det beror på att de innehåller mycket karbonat i löst form som kan buffra, dvs. lösningen kan motstå mycket syra utan att sjunker. Det mest ultimata alkaliska materialet i experimenten är således det som klarar att både höja till över 8 och samtidigt också ha hög buffrande förmåga, dvs. ha hög alkalinitet. Medelvärden för alkalinitet för de olika systemen visas i tabell 1. Där ser man att det inte är det system med högst som har högst -buffrande kapacitet. Faktum är att systemet med högst just nu; systemet med LD-sten, är det system som har näst lägst alkalinitet. Om är under 5,4 så definieras det som att lösningen inte har någon alkalinitet. Referensdunken och, för tillfället, aska e.on har därför ingen alkalinitet.

9 LD sten Figur 4: i systemen tillsatta filterkalk och LD-sten. är högst för LD-sten, där har ökat från starten och nu är uppe på -värden runt 8,5. i filterkalkssystemet håller sig stabilt på värden runt 7-7,5. Tabell 1: Medelvärden för alkalinitet för de olika systemen. Alkalinitet mäts i enheten mekv/l (milliekvivalenter per liter). Material Alkalinitet, medelvärde Kalkgranul 20 mekv/l Grönlut 15 mekv/l Mesakalk 14 mekv/l 10 mekv/l Aska Frövi 5 mekv/l LD-sten 0,5 mekv/l 0 mekv/l

10 Metallhalterna är kraftigt minskade i alla system som innehåller alkaliskt material, jämfört med referensdunken. För att minska bly (Pb) i lösning är grönluten mest effektiv, medan filterkalk och LD-sten är mest effektiva när det gäller att minska zinkhalten (Zn). Alla materialen är i princip lika effektiva när det gäller att minska kopparhalten (Cu) i lösning. Figur 5 visar hur metallhalterna varierar från starten av försöken och ca 5 månader framåt ,0 Cu µg/l , , ,0 100,0 1, ,1 Referens Mesakalk Grönlut Kalkgranul LD sten Aska Frövi ,0 Pb µg/l 1 000,0 100,0 1, ,1 Referens Mesakalk Grönlut Kalkgranul LD sten Aska Frövi

11 ,0 Zn µg/l , , , ,0 100,0 1, ,1 Referens Mesakalk Grönlut Kalkgranul LD sten Aska Frövi Figur 5: Halter (i µg/l) av metallerna koppar, bly och zink vid olika provtagningstillfällen. Notera att skalan på y-axeln är logaritmisk. Metallhalterna för alla alkaliskt tillsatta system är kraftigt reducerade jämfört med referenssystemet.