2 BAKGRUND
2.7 M ETODER FÖR ATT BEDÖMA GRUVAVFALLS MILJÖPÅVERKAN
2.7.1 Laktester
Laktester är till för att bedöma lakbarheten av skadliga ämnen ur ett fast material (Naturvårdsverket, 2006e). De två huvudsakliga metoderna är perkolationstest och skaktest. Det förstnämnda är en långsammare process där de naturliga förhållandena efterlevs i högre grad, medan skaktester forcerar processerna som sker i materialet. Genom att modifiera lakmediet kan simulering av en specifik process startas eller påskyndas ytterligare, denna procedur kallas extraktionstest (se figur 2.8). Till exempel kan materialet lakas med syra för att simulera sur nederbörd. Skillnad mellan laktest och extraktionstest är dock inte klar och väldefinierad. Vid riskbedömning är det inte bara intressant att veta totalhalter av ett ämne, utan minst lika viktigt är det att bedöma hur stor del som är lakbart på kort respektive lång sikt, samt hur stor del som kan anses vara biotillgängligt. Laktester kan vara ett stöd för denna bedömning.
Figur 2.8 Olika lakmedium ger en uppfattning av hur pass tillgängliga metallerna är i olika processer. Bilden ger
en grov uppfattning om förhållandena mellan olika metallfraktioner (Källa: Nordbäck m. fl., 2004).
De flesta studier som hittills gjorts har antingen gått ut på att studera geokemin hos det reagerande materialet eller den fysiska transporten. Det är därför svårt att säga hur dessa faktorer samverkar, till exempel i vilken utsträckning transportprocesser påverkar de kemiska vittringshastigheterna. Studier har visat att mätningar av elementflöden är beroende av vilken metod som används (Evans, 2005). Anledningen är att det råder skillnader i vilka mekanismer som styr frigörelsehastigheten. I kolonntester styrs frigörelsen av element huvudsakligen av utbyte mellan immobila och mobila vattenfasen medan ytkinetik är hastighetskontrollerande i
skaktester. Kontentan är att hydrologisk karaktärisering är precis lika viktigt som kemisk karaktärisering för att förstå kemiska vittringsprocesser.
Vid behandling av gruvavfall är den hydrologiska aspekten viktig eftersom koncentrerade lösningar kan existera som immobilt vatten i den omättade zonen (Evans, 2005). Vid ändrat flöde genom materialet kan denna toxiska blandning frigöras och skapa latent aciditet samt frigörelse av metaller. Resultat erhållna från kolonntester kan därför endast appliceras på fältsituationer med liknande kornstorleksfördelning och hydrologiska parametrar.
2.7.2 Acid Base Accounting (ABA)
Vid bedömning av ett materials påverkan på omgivningen finns ett antal parametrar som kan undersökas, en av dem är materialets försurningspotential respektive neutraliseringspotential. En metod för att fastställa detta är ABA, Acid Base Accounting, en statisk metod för att uppskatta om materialet genererar eller konsumerar syra (British Columbia Acid Mine Drainage Task Force, 1989). Både syrapotentialen, AP, och neutralisationspotentialen, NP, uttrycks där i enheten kg CaCO3 per ton material. Skillnaden mellan NP och AP ger sen nettoneutralisationspotentialen, NNP, som är ett mått på om materialet är potentiellt syraproducerande eller –konsumerande.
AP motsvarar den mängd CaCO3 som behövs för att neutralisera den surhet som uppstår vid oxidation av pyrit. Under sura förhållanden ser reaktionsformeln för buffringen ut enligt nedan (Höglund m.fl, 2004): 2 2 2 4 3 2 2 3 2 2CaCO 3,75O 1,5H O Fe(OH) 2SO 2Ca 2CO FeS + + + ⇒ + −+ + + (16)
Det finns ett antal olika metoder för att bestämma AP och NP (Höglund m.fl., 2004). Det enklaste sättet att bestämma försurningspotentialen, AP, är att utgå från totalhalten svavel. Från denna kan sedan AP beräknas enligt:
) / ( 25 , 31
%S kgCaCO3 tonmaterial
AP = ⋅ (17)
I ovanstående reaktion antas all svavel föreligga som pyrit (Höglund m.fl., 2004). Vid fullständig oxidation av pyrit frigörs fyra mol vätejoner (se reaktion 3). För att neutralisera dessa åtgår två mol kalciumkarbonat. Från reaktion 16 kan slutsatsen dras att en mol svavel, i pyrit, förbrukas av en mol kalcit. Omvandlingsfaktorn i ekvation 17 syftar således till skillnaden i molekylvikt mellan svavlet och kalciumkarbonaten. 1 g svavel per 100 g material innebär 1% S, vilket motsvarar 0,03125 mol S om molekylvikten för svavel är 32 g/mol. Med rådande molförhållanden motsvarar det 0,03125 mol CaCO3. Då molekylvikten för CaCO3 är 100 g/mol kan detta uttryckas som 3,125 g/100g material eller 31,25 kg/ton material.
Ett sätt att bestämma svavelhalten är att analysera materialet med avseende på totalt reducerat svavel, TRS (Canfield m.fl., 1985). Denna metod ger halten mono- och disulfider och tar alltså inte hänsyn till organiskt bundet svavel eller sulfat. Även här antas all svavel förekomma som pyrit.
När NP bestäms experimentellt ger det ett mått på både karbonat och silikatvittring (Höglund m.fl., 2004). NP kan dock antas vara ekvivalent med karbonatinnehållet och beräknas:
) /
( 10
%CaCO3 kgCaCO3 tonmaterial
NP= ⋅ (18)
Multipliceringsfaktorn 10 i ekvation 18 används till att omvandla viktprocent till kg/ton. För att ta reda på kalkhalten finns ett antal olika metoder. Ett snabbt och enkelt sätt är att med Passons apparat mäta volymen koldioxid som avgår när kalken i materialet får reagera med saltsyra.
Nettoneutralisationspotentialen (NNP) bestäms, som tidigare nämnts, som skillnaden mellan NP och AP. När NNP > 0 ska tillskott av syra kunna neutraliseras genom till exempel upplösning av kalcit. Om NNP < 0 innebär det däremot att materialets syraproducerande förmåga är större än dess neutraliserande, vilket vid vittring av pyrit kan leda till försurande förhållanden när all kalcit är förbrukad. Viktigt att komma ihåg är dock att NNP inte nödvändigtvis indikerar på nuvarande status hos materialet, utan bör ses som en indikation på potentiell påverkan från materialet om inga åtgärder sätts in. Ett material med NNP < 0 kan således uppvisa ett högt pH-värde om pyritoxidationen sker långsamt.
Ett problem med att bestämma NNP för gruvavfall är att pyrit och kalcit förekommer som enskilda stråk varför ett representativt prov för materialet kan var svårt att ta. Andra svagheter med ABA-metoden är dels att det grundläggande antagandet att all svavel föreligger som pyrit inte är särskilt troligt, dels att omvandlingsfaktorn på 31,25 bygger på antagandet att all koldioxid avgår i gasfas (se ekvation 16), vilket inte heller är sannolikt. En hel del koldioxid kommer att bilda HCO3- vilket sin tur innebär att omvandlingsfaktorn underskattas.