Restprodukter i tätskikt för deponier med anrikningssand
Utvärdering av grönlutslam blandat med flygaska/anrikningssand
David Stenman
Civilingenjörsexamen Väg- och vattenbyggnadsteknik
Avdelningen för Geoteknologi i samarbete med Geovetenskap och miljöteknik Institutionen för Samhällsbyggnad och naturresurser
EXAMENSARBETE
Restprodukter i Tätskikt för Deponier med Anrikningssand
Utvärdering av Grönlutslam blandat med Flygaska/Anrikningssand
David Stenman
Luleå 2011
Sammanfattning
Gruvindustrin och pappersmassabruken frambringar årligen stora mängder restprodukter (Wik et al. 2003). Dessa restprodukter har genom tiderna enbart deponerats vilket kan leda till ansenliga miljöproblem, stora mängder föroreningar samlas på liten yta och kan vid lakning förorena omgivande miljö.
Deponering av anrikningssand från gruvindustrin sker idag på två sätt;
jordtäckning eller vattentäckning, vilket både kan vara dyrt och svårt att utföra.
Den vanligaste metoden är vattentäckning. Anrikningssanden pumpas då tillsammans med vatten direkt från anrikningsverket ut i ett sandmagasin där anrikningssanden sedan sedimenterar och förvaras. (Karltorp, 2008)
Vid en närmare studie av metoden ”jordtäckning”, finns en rad olika försök utförda. I ett försök användes en blandning av grönlutslam (GLS) och stenmjöl som tätskikt (NCC Roads, 2011). GLS användes som barriärmaterial och stenmjöl användes för att öka hållfastheten i tätskiktet. GLS är en av de största restprodukterna från pappersmassabruken och kan verka som barriärmaterial mot infiltration av syre och genomströmning av vatten samt buffra mot försurning.
Denna studie går ut på att undersöka möjligheterna att använda GLS blandat med flygaska/anrikningssand som tätskikt till gruvavfall (anrikningssand). För att GLS ska kunna verka som tätskikt måste de geotekniska egenskaperna förbättras genom tillsättning av ett hållfasthetshöjande material (flygaska/anrikningssand). En schematisk bild på deponering av anrikningssand med jordtäckning ses i Figur 1.
Figur 1 Schematisk bild på deponering av anrikningssand med jordtäckning.
Följande försöksmoment utfördes, för att undersöka möjligheterna att använda GLS och anrikningssand/flygaska som tätskikt: permeabilitetsförsök med konstant tryckhöjd, frysförsök följt av permeabilitetsförsök, hållfasthetsförsök (enaxiellt tryckförsök), pyknometerförsök, packningsförsök och lakningsförsök.
GLS direkt från fabrik har en hög vattenkvot vilket leder till en permeabilitet något högre (10-8 m/s) än riktvärdet (10-9 m/s) för ett tätskikt. Om processutförandet inte ska ändras vid framställning av GLS är en möjlig lösning att använda GLS som har förvarats på deponi. Material som utsätts för konsolidering, tryck under en bestämd tid, komprimeras varvid vattenkvoten och materialets permeabilitet minskar.
Vid hållfasthetsförsöken erhölls en ”mycket låg” skjuvhållfasthet (ca 10-30 kPa) för GLS och blandningarna av anrikningssand och GLS. Därmed kan anrikningssand direkt från anrikningsverk inte rekommenderas som ett potentiellt hållfasthetshöjande material.
Vid inblandning av 10% flygaska erhölls en betydligt högre skjuvhållfasthet (ca 50-95 kPa). Resultaten visade även att flygaskans härdande egenskaper har en tydlig effekt. Proverna som lagrades i 3 månader (ca 90-265 kPa) istället för 1 månad (ca 50-95 kPa) visade upp till 2-3 ggr högre skjuvhållfasthet. Vid en erhållen skjuvhållfasthet på 150-300 kPa har en ”mycket hög” skjuvhållfasthet uppnåtts; därmed är flygaska ett potentiellt material för att öka hållfastheten i GLS.
Enligt utförda lakningsförsök på GLS finns det tecken på positiva egenskaper även efter att dess buffringskapacitet är slut. Detta på grund av att GLS visar tendens till att binda metaller.
Vid användandet av GLS som tätskikt kan de geotekniska egenskaperna (permeabilitet och skjuvhållfasthet) förbättras genom att använda deponerad GLS och en tillsats av flygaska.
Abstract
The mining industry and pulp and paper mills generate annually a large quantity of waste materials (Wik et al. 2003). Landfilling has for a long time been the most widely used method for these wastes. These waste products can cause considerable environmental problems; large amounts of pollutants are collected in a small area and can be leached out and contaminate the surrounding environment.
Deposition of tailings from the mining industry occurs today in two ways: soil cover or water cover, which can both be expensive and difficult to perform.
The most common method is water cover when tailings and water are directly pumped from the mill into a sand reservoir where the tailings then sediment and are stored. (Karltorp, 2008)
In a closer study of the method "land cover", there are a number of different test performed. In one field test a mixture of green liquor dregs (GLD) and stone dust was used as a barrier layer (NCC Roads, 2011). GLD was used as a barrier material and stone dust was used to increase the shear strength in the barrier layer. GLD is one of the major waste products from pulp and paper mills and can act as a barrier material to: prevent infiltration of oxygen, reduce the water flow and to buffer against acidification.
The aim of this study is to investigate the possibilities of using a mixture of GLD and fly ash/tailings as a barrier layer for mine waste (tailings). If GLD is going to be used as a barrier layer, the geotechnical properties must be improved by adding a strength-enhancing material (fly ash/tailings). A schematic picture of a landfill of tailings with a soil cover can be seen in Figure 1.
Figure 1 A schematic picture of a landfill of tailings with a soil cover.
To investigate the possibility of using GLD and tailings/fly ash as barrier layer the following experimental tests were performed: permeability test with constant pressure head, freezing test followed by permeability test, strength test (unconfined compression test), pycnometer test, compaction test and leaching test.
GLD directly from the factory has a high water content which leads to a slightly higher permeability (10-8 m/s) than the guideline value for a barrier layer (10-9 m/s). If the industrial processes that generate GLD should not be changed a possible solution is to use GLD that has been stored in landfills.
GLD which has undergone a consolidation process, pressure under a given time, is compressed and the water content and permeability are decreased.
In the performed strength tests the obtained shear strengths was “very low”
(10-30 kPa) when only using GLD and mixtures of tailings and GLD. Thus, tailings directly from the mill are not recommended as a potential strength- enhancing material.
When fly ash (10%) is added a significantly higher shear strength (about 50-95 kPa) is obtained. The results also show that hardening properties of fly ashes have a clear effect. The samples stored for 3 months (about 90-265 kPa) instead of 1 month (about 50-95 kPa) gave up to 2-3 times higher shear strength. Shear strengths between 150 and 300 kPa is classified as “very high”;
thus fly ash is a potential material for increasing the strength of the GLD.
According to leaching tests carried out on GLD, there are signs of positive properties even after the buffering capacity is finished. This is because GLD shows a tendency to bind metals.
When using GLD as a barrier layer, the geotechnical properties (permeability and shear strength) can be improved by using GLD from landfills and blend in fly ash.
Innehållsförteckning
SAMMANFATTNING... I ABSTRACT ...V INNEHÅLLSFÖRTECKNING... IX FÖRORD...XIII
1 INLEDNING ...1
1.1 Bakgrund ...1
1.2 Historia...3
1.3 Syfte ...3
1.4 Frågeställningar ...4
1.5 Avgränsningar ...5
1.6 Forskningsdesign ...5
1.6.1 Datainsamling ...6
1.6.2 Genomförande...6
2 MATERIALSTUDIEN...7
2.1 Anrikningssand från sulfidmalm ...7
2.1.1 Oxidation och försurning ...8
2.1.2 Undersökning av sulfidhaltig anrikningssand...10
2.2 Grönlutslam (GLS) ...10
2.2.1 Buffrande egenskaper mot försurning ...12
2.2.2 Undersökning av grönlutslam ...12
2.3 Flygaska (FA)...15
3 HYPOTES PÅ FRÅGESTÄLLNINGARNA OCH FÖRSÖKSPROGRAM...17
3.1 Hypotes på frågeställningarna ... 17
3.2 Försöksprogram ... 18
3.2.1 Geoteknisk undersökning... 19
3.2.2 Geokemisk undersökning... 20
4 TEORI INFÖR LABORATORIEFÖRSÖK... 21
4.1 Permeabilitetsförsök med konstant tryckhöjd ... 21
4.2 Pyknometerförsök ... 24
4.3 Packningsförsök... 25
4.4 Frysning och permeabilitetsförsök... 26
4.5 Hållfasthetsförsök (enaxiellt tryckförsök)... 27
4.6 Lakningsförsök ... 29
4.6.1 pH och konduktivitet ... 29
4.6.2 Sulfatanalys ... 30
4.6.3 Tiosulfatanalys ... 31
4.6.4 Metallanalys ... 32
5 LABORATORIEFÖRSÖK ... 33
5.1 Insamling av material och provberedning ... 33
5.2 Permeabilitetsförsök med konstant tryckhöjd ... 35
5.3 Pyknometerförsök ... 37
5.4 Packningsförsök... 38
5.5 Frysning och permeabilitetsförsök... 38
5.6 Hållfasthetsförsök (enaxiellt tryckförsök)... 39
5.7 Lakningsförsök ... 40
5.7.1 Tillsättning av syra ... 41
5.7.2 pH och konduktivitet ... 43
5.7.3 Sulfatanalys ... 43
5.7.4 Tiosulfatanalys ... 43
5.7.5 Metallanalys ... 44
6 RESULTAT ... 45
6.1 Permeabilitetsförsök med konstant tryckhöjd ... 45
6.2 Pyknometerförsök ... 46
6.3 Packningsförsök... 46
6.4 Frysning och permeabilitetsförsök... 47
6.5 Hållfasthetsförsök (enaxiellt tryckförsök)... 48
6.6 Lakningsförsök ... 48
6.6.1 pH och konduktivitet ... 50
6.6.2 Sulfater och tiosulfater ... 53
6.6.3 Metaller ... 55
7 DISKUSSION ...63
7.1 Permeabilitetsförsök med konstant tryckhöjd ...63
7.2 Pyknometerförsök...64
7.3 Packningsförsök ...64
7.4 Frysning och permeabilitetsförsök ...64
7.5 Hållfasthetsförsök (enaxiellt tryckförsök) ...65
7.6 Lakningsförsök ...65
7.6.1 Tiosulfat- och sulfatanalys...66
7.6.2 Metallanalys...66
7.7 Sammanfattande diskussion ...70
8 SLUTSATS ...73
9 FRAMTIDA STUDIER...75
10 REFERENSER ...77
BILAGOR ...81
Förord
Detta examensarbete är det avslutande momentet i civilingenjörsutbildningen Väg- och vattenbyggnad vid Luleå tekniska universitet. Studien omfattar 30 högskolepoäng och har utförts på institutionen för Samhällsbyggnad och naturresurser, avdelningen för Geoteknologi i samarbete med avdelningen för Geovetenskap och miljöteknik. Arbetet har utförts under våren 2011 och examinator har varit Sven Knutsson, Professor, Luleå tekniska universitet.
Jag vill tacka mina handledare; Maria Mäkitalo, Christian Maurice och Kerstin Pousette för god vägledning. Jag vill även tacka Thomas Forsberg och Ulf Stenman på CompLab (LTU) för deras hjälp med utrustning och laborationshandledning. Ett tack även till Olle Kvick som har opponerat på rapporten.
Luleå, juni 2011 David Stenman
1 INLEDNING
Inledningen ger en insikt i vad studien behandlar samt klargör vad syftet är och vilka frågor som skall studeras.
1.1 Bakgrund
Gruvindustrin och pappersmassabruken frambringar årligen stora mängder restprodukter (Wik et al. 2003). Dessa restprodukter har genom tiderna enbart deponerats vilket kan leda till ansenliga miljöproblem, stora mängder föroreningar samlas på liten yta och kan vid lakning förorena omgivande miljö (Naturvårdsverket, 2008).
Vid förädlingen av malmer är anrikningssand en restprodukt, vilket är den del av malmen som inte har ekonomiska fördelar. Restprodukten kan sen vara svår att behandla på ett säkert sätt eftersom den bland annat kan innehålla tungmetaller och sulfider. Processen från gruva till smältverk kan förenklat illustreras enligt Figur 1.1 nedan. (Karltorp, 2008)
Figur 1.1 Schematisk illustration från gruva till smältverk (efter Karltorp, 2008).
Sulfidhaltiga malmer frambringar en anrikningssand som vid kontakt med syre och vatten börjar oxidera varvid bildning av vätejoner (H+) och svavelsyra (H2SO4) sker. Denna reaktion kan försura omgivande miljö samt laka tungmetaller. För att anrikningssanden inte ska påverka övrig miljö måste den isoleras, vilket oftast sker med dammar. Gruvdammar kan konstukteras i tre utförande; inåt-, utåt och centrumkonstruktion vilket väljs utifrån rådande förutsättningarna. (Karltorp, 2008)
Deponering av anrikningssand från gruvindustrin sker idag på två sätt;
jordtäckning eller vattentäckning, vilket både kan vara dyrt och svårt att utföra.
Den vanligaste metoden är att anrikningssanden pumpas direkt från anrikningsverket ut i ett sandmagasin tillsammans med vatten där anrikningssanden sedan sedimenterar och förvaras omsluten av dammar.
(Karltorp, 2008)
Vid en närmare studie av metoden ”jordtäckning”, finns en rad olika försök utförda vid deponering av miljöfarliga material. Ett försök som har utförts var en blandning av grönlutslam och stenmjöl för användning som tätskikt (NCC Roads, 2011). Grönlutslammet användes som ett barriärmaterial, för att motverka infiltration av syre och genomströmning av vatten, och stenmjöl användes för att öka hållfastheten i tätskiktet.
Grönlutslam är en av de största restprodukterna från pappersmassabruken och kan verka som barriärmaterial mot infiltration av syre samt buffra mot försurning. Detta material har hittills till mesta del bara deponerats men efter allmänt hårdare tag mot deponering av restprodukter är det av intresse att hitta ett användningsområde för grönlutslam.
Ett alternativ som kommer att behandlas i denna studie är att istället för att använda stenmjöl blandas anrikningssand med grönlutslam. Anrikningssand (0,063-2 mm) och stenmjöl (0-4 mm) har ungefär samma kornstorlek vilket borde ge en likvärdig ökning av hållfastheten. Inblandning av anrikningssand i tätskiktet medför vissa svårigheter och kan endast utföras om dess oxidationsprocess kan begränsas samt att ingen syra bildas vilket kan fräta sönder grönlutslammet.
Grönlutslam kan även blandas med flygaska, som också är en restprodukt från massafabriken, för att förbättra de geotekniska egenskaperna.
1.2 Historia
Restprodukter, likaså avfall, kan hittas långt tillbaka i historien och då främst avfall från gruvdrift. Redan under koppar-, brons- och järnåldern producerades avfall i både lokal och regional skala med ursprung från gruvdrift (Lottermoser, 2007).
När tekniken utvecklades inom gruvbrytning och mineralframställning ökade utsläppen drastiskt och var mer eller mindre okontrollerad fram till mitten på 1800-talet. Det var först under 1900-talet som lagar trädde kraft vilket ställde gruvindustrin ansvarig till skyddande av miljön. (Lottermoser, 2007)
Surt lakvatten med ursprung från oxidation av sulfider i gruvavfall är idag en stor miljöfråga, trots att vetskapen om detta har funnits länge. Redan cirka år 325 före Kristus upptäckte den grekiska filosofen Theophrastus oxidationen av pyrit. Han registrerade hur metallsalter samt syra bildades under oxidationsprocessen. (Lottermoser, 2007)
Grönlutslam har en mycket kortare historia än gruvavfall men har hela tiden varit ett undantagsmaterial och har tillåtits att deponeras (NFS 2004:4, 2004).
Det har resulterat i stora mängder deponerad grönlutslam (Wik et al. 2003).
1.3 Syfte
Denna studie går ut på att undersöka möjligheterna att använda grönlutslam blandat med flygaska/anrikningssand som tätskikt till gruvavfall (anrikningssand). För att grönlutslam ska kunna verka som tätskikt måste de geotekniska egenskaperna förbättras genom tillsättning av ett hållfasthetshöjande material (flygaska/anrikningssand). Vid inblandning av anrikningssand är det viktigt att de kemiska- och geotekniska egenskaperna samverkar om det ska vara möjligt att använda det i ett tätskikt. Ett skyddslager, vilket placeras ovanför tätskiktet, kan inte uteslutas på grund av möjliga tjälproblem, Figur 1.2.
Figur 1.2 Schematisk bild av deponering av anrikningssand med jordtäckning.
Materialet som i första hand kommer att studeras är grönlutslam eftersom det har basiska egenskaper och därmed har en buffringskapacitet mot försurning.
Grönlutslam har även en låg permeabilitet, vilket ger en potential att agera som barriär mot infiltration av syre och genomströmning av vatten, och kan därmed motverka oxidations- och lakningsprocessen. Flygaska finns även som ett alternativt inblandningsmaterial, vilket används för att verka som ett hållfasthetshöjande material. Olika blandningar av materialen (grönlutslam, anrikningssand och flygaska) kommer att studeras och de parametrar som ska undersökas är permeabilitet, hållfasthet samt lakning av metaller och oxidationsprodukter.
1.4 Frågeställningar
Den primära frågan är att undersöka vilken potential grönlutslam har att verka som tätskikt vid deponering av sulfidhaltig anrikningssand. Kan till exempel restprodukterna, grönlutslam och flygaska/anrikningssand blandas med varandra och ge ett fungerade tätskikt?
De frågor som ska undersökas är:
a) Vilken permeabilitet och hållfasthet kan erhållas efter inblandning med anrikningssand/flygaska i grönlutslammet?
b) Vad händer med oxidationsprocessen och lakning av metaller vid blandning av anrikningssand och grönlutslam och vad händer när grönlutslammets buffringskapacitet har tagit slut?
c) Vad händer med materialen (grönlutslam/anrikningssand/flygaska) med avseende på permeabiliteten efter frysning och tining?
d) Vilka proportioner på materialen (grönlutslam/anrikningssand/flygaska) ger bäst resultat med avseende på permeabilitet och hållfasthet?
1.5 Avgränsningar
Proverna kommer endast att utföras med ett replikat och vid undersökningar som inte är direkt kopplad till frågeställningarna (packning, kompaktdensitet, etc.) kommer endast utvalda prover att analyseras.
Vid bestämning av parametrarna; permeabilitet och hållfasthet kommer varje parameter endast att undersökas med en metod, detta gäller även undersökning av metall-, sulfat- och tiosulfatkoncentrationerna.
Egna undersökningar på grönlutslammets buffringsförmåga kommer inte analyseras.
Flygaska finns också som alternativt inblandningsmaterial men är inte studiens huvudmaterial, därmed undersöks flygaskan endast som ett potentiellt hållfasthetshöjande material.
Tillsättning av syra vid lakförsöken kommer att påverka tidsförloppet, längden på detta tidsförlopp kommer inte analyseras.
Ett skyddslager (ex. morän) placerad ovanför den kemiska stabiliseringen kan inte uteslutas, detta material kommer inte att undersöks.
1.6 Forskningsdesign
Avsikten med denna studie är att undersöka specifika variabler genom att utföra laboratorieförsök, vilket omfattas av utprövande forskning och sker enligt Tabell 1.1. (Andersson & Borgbrant, 1998)
Tabell 1.1 Forskningstyp och forskningsprocessens utformning (Andersson &
Borgbrant, 1998).
Datainsamling och analys Resultat och presentationsform Forsknings-
typ
Forsknings- frågan
Metodval
Metoder för datainsamling
Analys och tolkning
Resultat Presentations- form Utprövning Hypotes-bildning
Vad karaktäriserar en specifik funktion
Laboratorie- undersökningar Experiment
Mätningar Simuleringar
Empir Hypotes- prövning Modell- byggande
Fakta om ett objekt och dess egenskaper, med undersökta variablers värde och storhet
Vetenskapliga artiklar/ rapport Muntligt redovisning
1.6.1 Datainsamling
Datainsamling kommer att ske genom att utföra en litteraturstudie och ta vara på tidigare utförda experiment samt genom att utföra egna laboratorieförsök.
För att validiteten på studien ska vara hög så utgår studien till viss del från tidigare utförda laboratorieförsök och därmed kan även reliabiliteten på resultatet från laboratorieförsöken kontrolleras.
1.6.2 Genomförande
Genomförande kommer att ske enligt Tabell 1.1 där laboratorieundersökningarna utförs på egentillverkade prover, men även delvis kommer att vara en fortsättning på redan påbörjade försök.
2 MATERIALSTUDIEN
Materialstudien fokuserar på att ge kunskap om de givna materialen och deras egenskaper, om hur de påverkar miljön samt vad som bör undersökas för att få ytterligare förståelse.
2.1 Anrikningssand från sulfidmalm
Förekomst av malm är en sällsynt företeelse, ordet malm betyder; ”metallhaltig mineralkoncentration vilket ur ekonomisk synpunkt är brytvärd”. (Loberg, 1999)
När malm väl är lokaliserad väntar en omfattande brytningsprocess i såväl gruva och dagbrott. Malmen som har brutits måste anrikas för möjligöra särskiljningen av de produkter som efterfrågas. Ett förenklat flödesschema över anrikningsprocessen ses i Figur 2.1. (Lottermoser, 2007)
Figur 2.1 Förenklat flödesschema över mineralframställningen (efter Lottermoser, 2007).
I till exempel Bolidengruvan är förekomsten av komplexmalm vanligt, vilket betyder att flera metaller/mineraler finns i malmen. Dessa måste avskiljas från varandra och denna anrikning kan ske på tre sätt; flotation, magnetiska metoder och gravimetriska metoder. Därefter kan guld, silver, koppar etc. utvinnas.
(Boliden, 2011). Materialet som kvarstår efter anrikningsprocessen bedöms som icke ekonomisk fördelaktig och kallas anrikningssand.
Sulfidmalm är en vanlig komplexmalm, där olika metallföreningar är bundna med svavel (S). (Fröberg & Höglund, 2004). Sulfidmalm är vanligt förekommande i Sverige och i resten av världen och förekommer oftast i form av: FeS2, ZnS, PbS och CuFeS2 (Carlsson, 2002).
2.1.1 Oxidation och försurning
Problemet med malm innehållande sulfider är försurningsprocessen där en oxidation startas upp vid kontakt med syre (O2) och vatten (H2O) vilket frigör vätejoner (H+) samt bildar svavelsyra (H2SO4). Denna reaktion kan bilda försurat lakvatten och försura omgivande miljö samt medföra ett högt metallutsläpp. (Warfvinge & Bertills, 1999). Ekvation (2.1)-(2.4) visar ett exempel på oxidation av pyrit (FeS2) (Carlsson, 2002.)
2 4 2
2 2
2 2 7 2 4 4
2FeS H O O Fe H SO (2.1)
Bildandet av Fe2+ kan oxidera vidare och genera syra enligt (2.2) och (2.3).
O H Fe
H O
Fe2 2 3 2
2 1 4
1 (2.2)
H OH
Fe O H
Fe3 3 2 ( )3 3 (2.3)
Fe3+ är ett väldigt stark oxidationsmedel och kan börja oxidera tillsammans med pyrit enligt (2.4).
H SO
Fe O
H Fe
FeS2 14 3 8 2 15 2 2 42 16 (2.4)
Enligt ekvation (2.3) och (2.4) ses att bildande av H+ är högt, vilket är den parameter som mäts vid pH-mätning. Mer om pH se avsnitt 4.6.1.
Det finns även icke syraproducerande sulfider, så som (2.5), (2.6) och (2.7).
2 4 2
2O2 Zn SO
ZnS (2.5)
2 4 2
2O2 Pb SO
PbS (2.6)
2 4 2
2 2
2 4O Cu Fe 2SO
CuFeS (2.7)
Dessa kan vid högt pH-värde producera syra men det förekommer inte eftersom anrikningssand har väldigt lågt pH-värde. (Carlsson, 2002).
Idag så sker avfallshantering i två olika utföranden; vattentäckning eller jordtäckning. Båda fallen utnyttjar idén att förhindra infiltrationen av syre till anrikningssanden varvid oxidationsprocessen kan bromsas. (Karltorp, 2008) Vid oxidation/vittring och lakvattenproduktion i en deponi är det följande faktorer som påverkar processerna (Fröberg & Höglund, 2004):
tillförsel av syre till avfallet
kornstorlek, vilken påverkar den reaktiva ytan vattnets uppehållstid i avfallet
vattenomsättning och vattenmättnadsgrad i avfallet sammansättningen av mineral i avfallet.
2.1.2 Undersökning av sulfidhaltig anrikningssand Enligt avsnitt 2.1.1 visas att sulfater (SO42-
) bildas efter oxidation av metallsulfiden pyrit. Sulfider och sulfater har sin grund från grundämnet svavel. Svavlet kan grupperas i grupper efter oxidationstal (Åkerlund et al.
2006):
(-II) sulfidformen
(IV), SO2; sulfitjonen (SO32-
)
(VI), SO3; svavelsyra (H2SO4) och sulfatjonen (SO42-).
Svavlet förekommer huvudsakligen som sulfid- eller sulfatmineral, där pyrit (FeS2) är den vanligaste sulfidmineralen. I oxiderande miljöer samt i kontakt med syre är oxidationstalet (VI) vanligast. (Åkerlund et al. 2006)
Bildandet av sulfater sker på grund av vittring (oxidation pga. av kontakt med syre och vatten) och sulfatjoner är i sig inte farligt, under förutsättningen att koncentrationen inte är väldigt hög. Gränsvärdet för sulfat i dricksvatten är 100 mg/l. Sulfatkoncentrationen används däremot ofta som en indikator på försurning. (Åkerlund et al. 2006)
Anrikningssands permeabilitet kan variera från fall till fall men undersökningar har visat att permeabiliteten kan vara inom området 1,05 · 10-4 till 7,40 · 10-7 m/s. (Hammarstedt, 2010)
2.2 Grönlutslam (GLS)
Grönlutslam (GLS) är en restprodukt från massa- eller pappersbruken och utgör ca 35% (vikt) av de totala restprodukterna från bruken, övriga restprodukter är askor, mesa och kalkgrus. Tabell 2.1 visar en inventering av restprodukter, varav årsproduktion och omhändertagande av resprodukterna redovisas. Omhändertagandet av GLS utgörs till 90% av deponering medan resten, 10%, omhändertas på ej definierade sätt. Principiellt diskuteras tre alternativa användningsområden för GLS; återföring till skogsmark, sluttäckning av deponier samt material till övriga anläggningsarbeten (Wik et al. 2003).
Tabell 2.1 Totala mängder och användningsområden för inventerade restprodukter för massa- och pappersindustrin 2001. (Wik et al.
2003)
Massatillverkningen sker genom att separera ut de enskilda fibrerna i trä eller genom återvinning av papper. Processen kan ske genom kemiska, halvkemiska eller med mekaniska metoder. Den kemiska metoden är en av de vanligaste. I Figur 2.2 kan massabrukets kemiska återvinningskrets ses schematiskt. Vitlut tillsätts för att lösa ut ligninet i träet varvid lut och trämassa fås. När trämassan sedan tvättas erhålls en restprodukt bestående av en väldigt blöt svartlut vilken torkas och sedan förbränns. Efter förbränningen återstår grönlut samt GLS.
(Pöykiö et al. 2006) GLS uppkommer när grönlut från sodapannorna renas från uppslammade partiklar. GLS innehåller oförbrända kolrester, processfrämmande grundämnen och mesa (CaCO3). (Wik et al. 2003) Slutligen sker kaustistering för att kunna återanvända kemikalierna (grönlut till vitlut) som användes i början av cykeln.
Figur 2.2 Kemisk återvinningskrets vid framställning av pappersmassa. (efter Pöykiö et al. 2006)
2.2.1 Buffrande egenskaper mot försurning
Grönlutslam (GLS) innehåller mesa (CaCO3) vilket har en bytande roll vid användandet av GLS i denna studie. Karbonatjoner (CO32-
), här i form av kalciumkarbonat (CaCO3), har buffrande egenskaper mot försurning vilket kan ses i ekvation (2.8). För att upplösa karbonater konsumeras vätejoner (H+) vilket ger materialet en hög alkalinitet. (Fröberg & Höglund, 2004)
3 2
3(s) H (aq) Ca (aq) HCO
CaCO (2.8)
Alkalinitet är ett materials förmåga att motstå försurningspåverkan, tillskott av H+ utan medförd sänkning av pH-värdet. GLS har hög alkalinitet eftersom bildande vätekarbonatjoner (HCO-3) från ekvation (2.8) också konsumerar H+ enligt ekvation (2.9). (Fröberg & Höglund, 2004)
O H g CO aq
H
HCO3 ( ) 2( ) 2 (2.9)
Karbonatjoner (CO32-
) och vätekarbonatjoner (HCO3-
) är de joner som neutraliserar de försurande vätejonerna (H+), varvid slutligen koldioxid och vatten bildas. (Fröberg & Höglund, 2004)
2.2.2 Undersökning av grönlutslam
Grönlutslam (GLS) är klassificerad som ett icke farligt avfall. GLS har vid undersökningar visat sig ha en permeabilitet under 10-8 m/s. Experiment med GLS från Billerud i Kalix har visat att permeabiliteten kan nå så låga värden som 10-9 m/s, vilket används som referensvärde på detta material i denna studie. Kvalitén och egenskaperna i GLS kan variera något från fall till fall, beroende på hur processframställningen har utförts. (Mäkitalo et al. 2010)
Utifrån en geoteknisk syn på materialegenskaper i GLS är kornstorleksfördelning samma som silt. Materialet har även undersökts som framtida vägbyggnadsmaterial varav det konstaterades att kompressionsstyrkan var för låg. (Wik et al. 2003)
Tidigare undersökningar av GLS från Assidomäns fabriker har uppvisat att GLS har en vattenkvot på 90-150% och en optimal vattenkvot på 25-45%
(vattenkvot när högsta torrdensitet erhålls). Skjuvhållfastheten varierade mellan 10 och 30 kPa för de givna vattenkvoterna (90-150%) vid enaxiellt tryckförsök. Permabilitet för GLS vid vattenkvoterna 90-150% var mellan 10-9 och 10-8 m/s. (Pousette & Mácsik, 2000)
Tiosulfater (S2O32-
)
Det har tidigare nämnts att sulfater bildas vid oxidation av sulfidmalm samt att sulfatkoncentrationen ofta används som en indikator på försurat lakvatten.
Sulfater kan bildas enligt avsnitt 2.1.1 men kan även bildas av tiosulfater enligt Figur 2.3 samt ekvation (2.10), (2.11) och (2.12). (Gahan, 2009)
Figur 2.3 Tiosulfatcykel (Gahan, 2009).
Enligt Figur 2.3 så frigörs Fe2+ vid oxidation av metallsulfid (MS) vilket här är FeS2. Fe2+ kan sedan oxidera vidare till Fe3+ som i sin tur reagerar med MS och bildar tiosulfater S2O32-
.
H Fe
O S O H Fe
FeS2 6 3 3 2 2 32 7 2 6 (2.10)
H Fe
SO O
H Fe
O
S2 32 8 3 5 2 2 42 8 2 10 (2.11)
Förenkling av ekvation (2.10) och (2.11) ger (2.12) H Fe
SO O
H Fe
FeS2 14 3 8 2 2 42 15 2 16 (2.12)
Ekvation (2.12) resulterar till samma ekvation som (2.4). Enligt ekvation (2.10) till (2.12) behövs inget syre för bildning av SO42-
och H+. Dock behövs Fe3+
vilket är ett resultat från en oxidation med syre, se avsnitt 2.1.1. Det kan därmed sägas att vid material där syre är begränsat kan bildandet av sulfater vara stort på grund av att tiosulfater har oxiderats till sulfater. Detta är då vanligt i täta material, med låg permeabilitet, och dessa reaktioner enligt (2.12) frigör H+ vilket kan bidra till en sänkning av pH-värdet.
Buffring
GLS har en stor buffrande förmåga och för att kunna undersöka buffringsförmågan under en längre tidsperiod kan tidsförloppet påskyndas genom att tillsätta syra (HCl) i proverna. Detta gör att CaCO3 börjar förbrukas enligt ekvation (2.13) vilket kommer att leda till att den buffrande förmågan till slut kommer att försvinna. Detta gör det möjligt att simulera vad som händer under en längre tidsperiod, gällande lakning av metaller, bildande av tiosulfater och sulfater.
Reaktionen mellan CaCO3 och HCl är stark och släpper ut koldioxid enligt ekvation (2.13). (Kotz et al. 2009)
CaCO3(s) + 2 HCl(aq) CaCl2(aq) + CO2(g) + H2O(l) (2.13) Den buffrande förmågan hos GLS har tidigare undersökts av Mäkitalo (u.å.), i en opublicerad undersökning, se Bilaga 1 och 2 samt Diagram 2.1 och 2.2.
Diagrammen visar mängden syra, mmol per gram torr GLS, som behövs för att sänka pH-värdet för två prover med olika torrsubstanshalt, 51,3% respektive 33%. Utifrån diagrammen går det att avläsa att GLS buffrar mellan pH-värde 6 och 8.
33% GLD
0 5 10 15 20 25
0 2 4 6 8 10 12
pH
mmol H+/g
51,3% GLD
0 5 10 15 20 25
0 2 4 6 8 10 12
pH
mmol H+/g
Diagram 2.1 Buffringskapacitet för grönlutslam vid en torrsubstans på 51,3%.
(Mäkitalo, u.å.)
Diagram 2.2 Buffringskapacitet för grönlutslam vid en torrsubstans på 33%.
(Mäkitalo, u.å.) 2.3 Flygaska (FA)
Aska kan delas in i två grupper: flygaska och bottenaska. Flygaska är de askämnen som följer med rökgaserna i förbränningsanläggningarna och fångas upp med till exempel filter. Flygaskan har självhärdande egenskaper samt har en låg densitet. Askan innehåller normalt höga halter tungmetaller och klorider, även höga svavelhalter kan förekomma. Flygaska har bland annat testats som konstruktionsmaterial, oftast i form av bullervallar och fyllningar. Eftersom flygaska har låg densitet är den väldigt lämplig som fyllnadsmaterial vid mark med låg bärighet. Förvaring av flygaskan skall ske torrt för att behålla en bra homogenitet och endast fuktas innan användandet. (Wik et al. 2003)
51,3 % GLS
33 % GLS
pH
pH
3 HYPOTES PÅ FRÅGESTÄLLNINGARNA OCH FÖRSÖKSPROGRAM
I detta kapitel dras korta hypoteser över frågeställningarna med utgångspunkt från given information i materialstudien samt hur frågeställningarna vidare ska studeras.
3.1 Hypotes på frågeställningarna
a) Vilken permeabilitet och hållfasthet kan erhållas efter inblandning med anrikningssand/flygaska i grönlutslammet?
Vid inblandning av anrikningssand i grönlutslammet beräknas permeabiliteten öka något, på grund av att anrikningssand har högre permeabilitet jämfört med grönlutslam. Hållfastheten beräknas öka vid tillsatts av flygaska och kan vara tidsberoende på grund av flygaskans härdande egenskaper.
b) Vad händer med oxidationsprocessen och lakning av metaller vid blandning av anrikningssand och grönlutslam och vad händer när grönlutslammets buffringskapacitet har tagit slut?
Grönlutslammet är basiskt och kommer att ha en buffringskapacitet vilket förhindrar försurning. Det råder en ganska stor osäkerhet om hur sänkningen av pH-värdet sker vid tillsättning av syra (HCl), därför kommer tillsättningen av syra ske stegvis. När pH-värdet befinner sig inom buffringszonen är det svårt att beräkna hur mycket ytterligare syra som ska tillsättas. Det råder även en stor osäkerhet angående vad som händer när buffringskapaciteten har tagit slut, med avseende på lakning av metaller.
c) Vad händer med materialen (grönlutslam/anrikningssand/flygaska) med avseende på permeabiliteten efter frysning och tining?
Vid frysning kommer vattnet i porerna att frysa och expandera och ge en ökad total porvolym. Vid tiningen antas att grundförhållanden inte kommer att återställas varvid materialet kommer att luckras upp, vilket gör det lättare för vattnet att transporteras genom materialet. Detta antagande betyder att blandningen av materialen i fält lämpligast måste placeras under tjäldjupet vilket medför en last på materialen utav exempelvis ett moränlager.
d) Vilka proportioner på materialen (anrikningssand/grönlutslam/flygaska) ger bäst resultat med avseende på permeabilitet och hållfasthet?
Det svåraste i denna studie kan vara att rekommendera vilken fördelningen av materialen det ska vara. Detta kommer att undersökas enligt försöksprogrammet beskrivet i avsnitt 3.2.
3.2 Försöksprogram
Försöksprogrammet kan indelas i två delar, en geoteknisk undersökning och en geokemisk undersökning. De försöksmoment som kommer att utföras är följande:
permeabilitetsförsök med konstant tryckhöjd frysförsök följt av permeabilitetsförsök hållfasthetsförsök (enaxiellt tryckförsök) pyknometerförsök
packningsförsök lakningsförsök.
3.2.1 Geoteknisk undersökning
Den geotekniska undersökningen utförs på egentillverkade prover, Tabell 3.1, och fältprover, Tabell 3.2. Till laboratorieförsöken upprättas även replikat till samtliga prover. Vid de egentillverkade proverna fördelas materialen så att en bra materialjämförelse ska vara möjlig och dessa prover kommer att undersökas genom följande försök:
permeabilitetsförsök med konstant tryckhöjd frysförsök följt av permeabilitetsförsök hållfasthetsförsök (enaxiellt tryckförsök).
Tabell 3.1 Procentuell (%) viktfördelning av TS för egentillverkade prover.
Prov Anrikningssand Grönlutslam Aska
0 100
1 70 30
2 40 60
3 70 20 10
4 40 50 10
Även tre fältprover, Tabell 3.2, från en grönlutslamsdeponi (Iggesunds bruk) i Iggesund ska permeabilitetsbestämmas.
Tabell 3.2 Fältprover från en grönlutslamsdeponi tillhörande Iggesunds bruk.
Prov Ålder Djup GLS % Fält 1 Äldst 6,7-7,0 100 Fält 2 Yngst 1,5-2,0 100 Fält 3 Mellan 4,6-5,0 100
Utifrån erhållna resultat från proverna i Tabell 3.1 och Tabell 3.2 kommer även utvalda prover att undersökas ytterligare med följande försök:
pyknometerförsök packningsförsök
3.2.2 Geokemisk undersökning
Lakningsförsök skall utföras på prover som redan är tillverkade, från ett tidigare försök, och har en materialfördelning enligt Tabell 3.3.
Tabell 3.3 Procentuell (%) viktfördelning av TS för prover till lakningsförsök.
Prov Anrikningssand Grönlutslam Flygaska TS-halt=33,7% TS-halt 50,8%
1 & 2 100%
3 & 4 100%
5 & 6 100%
7 & 8 50% 50%
9 & 10 25% 50% 25%
4 TEORI INFÖR LABORATORIEFÖRSÖK
Detta kapitel ger nödvändig information för att möjliggöra utförandet av laboratorieförsök och beräkna de eftersökta parametrarna.
4.1 Permeabilitetsförsök med konstant tryckhöjd
Permeabilitet är en jords vattengenomsläpplighet och beräknas enligt Darcy’s lag, ekvation (4.1) (Larsson, 2008). Den skenbara hastigheten beskriver hur stor volym vatten som tränger igenom materialet per tids- och ytenhet.
Permeabiliteten kan bestämmas utifrån den skenbara vattenhastigheten och den hydrauliska gradienten enligt ekvation (4.1) och Figur 4.1.
i l k k h A v
q (4.1)
Där:
q = Det skenbara flödet genom jorden (m3/s) A = Tvärsnittsarean (m2)
v = Den skenbara vattenhastigheten genom provet (m/s) k = Permeabilitet (m/s)
i = Hydraulisk gradient h = Tryckhöjd (m)
l = Längd på provet i strömningsriktningen (m)
Figur 4.1 Schematisk förklaring vid bestämning av permeabilitet enligt Darcy’s lag. (Larsson, 2005)
Bestämning av lämplig hydrauliska gradienten vid permeabilitetsförsöken görs utifrån rekommendationer enligt Tabell 4.1. Gradienten är förhållandet mellan tryckhöjd och provlängd i strömningsriktningen.
Tabell 4.1 Bestämning av hydrauliska gradienten utifrån permeabiliteten.
(Larsson, 2005)
Permeabilitet, m/s Rekommenderad högsta gradient
>10-5 1
10-5 - 10-6 2
10-6 - 10-7 5
10-7 - 10-8 10
10-8 - 10-9 20
>10-9 30
Vid de fall permeabiliteten är okänd men fraktionen känd kan Tabell 4.2 användas för få ett riktvärde på permeabiliteten. Vice versa kan en känd permeabilitet ge en fingervisning om vilken fraktion det rör sig om.
Variationerna inom jordfraktionerna beror främst på partikelform och lagringstätheten. (Larsson, 2005)
Tabell 4.2 Permeabilitetsindelning efter jordfraktion. (Larsson, 2008)
Permeabiliteten i en jord beror till största del av porstorlek och total porvolym (Larsson, 2008). Därmed gäller att när packningsgraden ökar så minskar permeabiliteten. Vattenhalten vid packningen avgör hur bra packningen blir och därmed vilken permeabilitet som kan fås. Dock kan det vara så att ”den lägsta permeabiliteten erhålls inte hos en jord som har packats vid optimala vattenkvoten (således vid minsta porositet) utan lägsta värdet erhålls vid en något högre vattenhalt” (Fagerström & Wiesel, 1972). Vid packningen av en finkorning jord vid en vattenhalt nära vattenmättnad blir packningsgraden likaså permeabiliteten oberoende av packningsarbetet eftersom jorden snarare ältas än packas. (Fagerström & Wiesel, 1972)
Det finns ett antal olika metoder för att bestämma permeabilitet och de delas in i direkta metoder och indirekta metoder (Fagerström & Wiesel, 1972).
Direkta metoder:
Permeameterförsök med konstant tryckhöjd Permeameterförsök med variabel tryckhöjd Pumpförsök i fält
Spårämnesförsök i laboratorium eller i fält
Indirekta metoder:
Kompressometer- och ödometerförsök Horisontellt kapillaritetsförsök
Triaxialförsök
Beräkning med ledning av kornfördelning
Jordar som används som hydrauliska barriärer är ofta finkorniga jordar såsom lera, silt och finkorniga moräner. Vid de fall jorden används som en landfyllnadsbarriär bör permeabiliteten vara mindre än 1·10-9 m/s. (Viklander, 1997).
4.2 Pyknometerförsök
Kompaktdensiteten bestäms med hjälp av pyknometerförsök. Utifrån vetskap om kompaktdensitet, skrymdensitet och vattenkvot kan vidare porositet och portal beräknas. Porositeten är förhållandet mellan porvolymen och den totala volymen och brukar variera mellan 25-75% för lera och silt. Portalet anger förhållandet mellan porvolymen och fasta fasens volym och brukar variera mellan 0,3 och 3 för lera och silt.
Portal och porositeten beräknas med ekvation (4.2) och (4.3). (Larsson, 2008) Vattenmättnadsgraden (Sr) kan även bestämmas enligt (4.4) (Pusch, 1972).
) 1 1 (
n w
s
(4.2)
) 1 1
e s(w (4.3)
w s
s
r w
S w
) 1
( (4.4)
Där:
w = Vattenkvot (%)
= Skrymdensitet (kg/m3)
s = Kompaktdensitet (kg/m3)
w = Vattnets densitet (kg/m3)
Vattenkvot är förhållandet mellan porvattnets massa och jordens fasta massa enligt (4.5). (Pusch, 1972)
s w
m
w m (4.5)
Skrymdensitet är förhållandet mellan jordens totala massa och skrymvolym enligt (4.6). (Pusch, 1972)
V
m (4.6)
Bestämning av kompaktdensiteten beskrivs i avsnitt 5.3 och beräknas i Bilaga 3. Kompaktdensiteten är förhållandet mellan jordens fasta massa och kompaktvolym enligt (4.7). (Pusch, 1972)
s s
s V
m (4.7)
4.3 Packningsförsök
Enligt vad som nämnts i avsnitt 4.1 har vattenkvoten en stor påverkan på packningsresultatet. En alltför hög vattenkvot kan medföra att jorden bara ältas runt vid packningen. En viss andel vatten behövs däremot för att uppnå en bra packning på grund av att vattnet i provet fungerar som smörjmedel. För att uppnå en bra packning måste kornen kontraktera det vill säga omlagra sig till en mindre totalvolym (Axelsson, 1998).
Med hjälp av Proctorpackning, där ett material packas vid olika vattenkvoter enligt ett standardiserat utförande, kan den optimala vattenkvoten bestämmas.
Optimal vattenkvot är den vattenkvot som ger den högsta torrdensiteten vid packningen. Torrdensiteten bestäms enligt ekvation (4.5) och (4.8).
d w
1 (4.8)
4.4 Frysning och permeabilitetsförsök
En finkorning jord som exponeras för frysning samt tining uppvisar förändring rörande; volym, omfördelning av vatteninnehåll, hållfasthet och kompressionsegenskaper. Finkorning jord som utsätts för frysning kommer att bilda islinser. Dessa växer så länge rätt förhållande råder såsom temperatur och portryck. Temperaturen på jorden måste vara under fryspunkten och negativa portryck måste erhållas närmast frysfronten för att islinserna ska växa. Även hållfastheten förändras i en frusen jord, den ökar då alltmer vatten fryser. I efterhand uppstår mikrostrukturella förändringar, sprickor bildas och partiklar omfördelas i jordmassan. Vid tining börjar de islinser som har bildats smälta.
Detta skede kan ge upphov till en volymminskning om det uppsugna vattnet dräneras bort istället för att återgå till porerna. Detta medför att sättningar uppstår och volymen minskar. Detta har störst påverkan de första frysnings- och tiningscyklerna som den finkorniga jorden utsätts för. (Rosén et al. 2001) Frysnings- och tiningsförsök kan delas in två olika grupper med hänsyn till tillgång till vatten. Jordprovet kan antingen vara sammansluten till en extern vattenkälla under frysning och tining, ”ett öppet system”, eller vara ett helt
”slutet system” där inget externt vatten finns att tillgå. Om ett jordprov har fri tillgång till vatten så kan islinser bildas och under rätta förutsättningar fortsätta växa. Under tiningen kan det externa vattnet dräneras bort. Vid frysning med ett slutet system är tillgången till vatten begränsat till vatteninnehållet i jorden.
Störst strukturella förändringen anses ske i en fuktig jord frusen i ett slutet system eftersom de negativa portrycken i jorden kommer påverka vattenpartikeln mer än om externt vatten finns att tillgå. Vattnet kommer att bli omfördelat som en konsekvens av frysning/tining. I ett öppet system finns det risk att vattnet rör sig genom provet utan att påverka kornskelettet. Vid simuleringar av konventionella landfyllnadsbarriärer där små mängder vatten finns att tillgå brukar försök med slutet system användas. Dock kan verkligheten vara svår att återspegla med laboratorieförsök eftersom
förhållanden i fält relativt sällan inte är påverkad av externt vatten. (Viklander, 1997)
Packningen av en tjälbenägen siltig jord förändras efter frysning och tining.
Den kommer att luckras upp och efter cirka fem fryscykler kommer den att ha samma packningsgrad som en siltig jord som inte har packats utan endast konsoliderats ihop utav frysnings- och tiningscyklerna. (Knutsson et al. 1998) 4.5 Hållfasthetsförsök (enaxiellt tryckförsök)
En jords hållfasthet bestäms lämpligen genom att bestämma dess skjuvhållfasthet. En metod är enaxiellt tryckförsök, vid vilket en kraft påförs vinkelrätt mot provets tvärsnittsarea. Vid beräkning av skjuvhållfastheten antas ett brott ske längs ett plan med 45 graders vinkel enligt Figur 4.2. Därefter beräknas skjuvhållfastheten enligt ekvation (4.9)-(4.17) nedan.
(Laboratoriehandledning, 2002) Skjuvhållfastheten kan bland annat även bestämmas genom att utföra direkta skjuvförsök (Larsson, 2004). Detta försök är dock inte aktuellt på grund av begränsad tidsåtgång i denna studie och studeras därmed inte något närmare.
Figur 4.2 Brottplan vid enaxiellt tryckförsök
2 45 1 sin 45
cos (4.9)
Kraften P räknas därefter om till den eftersökta kraften T, ekvation (4.10).
2 P 1
T (4.10)
Kraften P kan därefter uttryckas med följande två ekvationer (4.11) och (4.12) 2
2 N
T
P (4.11)
A
P (4.12)
(4.11) och (4.12) ger (4.13) 2
N
A (4.13)
N är den vinkelräta kraften mot brottytan. Kraften N kan skrivas om till spänningen multiplicerat med arean den verkar på, enligt ekvation (4.14).
Arean kraften verkar på bestäms enligt föregående tänkesätt vid krafter i ekvationerna (4.9) och (4.10).
2 A
N (4.14)
Insättning av (4.14) i (4.13) ger 2
2 A
A (4.15)
Förenklat blir det enligt ekvation (4.16) och (4.17).
2 (4.16)
A P
2 (4.17)
Ekvation (4.17) används för att beräkna skjuvhållfastheten trots att det är en förenklad ekvation eftersom den inte tar hänsyn till provets kompression och dimensionsökningen i radiell led. Kompressionen vid enaxiellt tryckförsök sker med en deformationshastighet på 1,5 %/min. Deformationen vid brott när maximal skjuvspänning uppnås visar om det är sprött eller segt material. De finkorniga jordarna kan indelas medhänsyn till den odränerade skjuvhållfastheten enligt Tabell 4.3.
Tabell 4.3 Klassificering efter odränerad skjuvhållfasthet. (Larsson, 2008)
4.6 Lakningsförsök
Lakningsförsöken som kommer att utföras är en modifierad variant av fuktkammarförsök, vilket är en kinetisk metod för att bestämma miljöpåverkan av gruvavfall. Metoden går ut på att efterlikna de naturliga förhållanden gruvavfall utsätts för i laboratoriemiljö för att undersöka parametrar såsom metall-, sulfat- och tiosulfatkoncentrationer samt pH och konduktivitet.
Resultatet visar hur mineralerna vittrar och hur lakning av metaller förändras med tiden. (Friis, 2000)
4.6.1 pH och konduktivitet
pH-värdet är ett mått på hur mycket H+ (oxoniumjoner H3O+) det finns i en lösning. pH skalan sträcker sig från 0-14 och ju mer H+ som finns i lösningen desto lägre blir pH-värdet. pH-värdet kan beräknas utifrån vätejoner (H+) och likaså kan H+ beräknas med hjälp av pH-värdet, enligt ekvation (4.18) och (4.19). (Kemi, 2011)
dm H mol
pH H lg
lg / 3 (4.18)
pH
pH mol dm
H 10 / 3 10 (4.19)
Konduktivitet är ett materials förmåga att leda ström, vilket är inversen av resistivitet. Resistivitet är ett materials oförmåga att leda ström och har enheten
ohmm ( m). Enheten för konduktivitet blir således ( m)-1 eller S/m. (Burger, 2005) Konduktiviteten kan därmed ge information angående lakning av metaller eftersom metaller har en god ledningsförmåga.
4.6.2 Sulfatanalys
Analysen av sulfatjoner utnyttjar reaktionen med barium, vilket bildar en finkorning BaSO4 fällning. Därefter kan turbiditeten som bildas mätas med en spektrometer. Sulfathalten är proportionellt med turbiditeten och kan därmed jämföras med standardlösningar vid 450 nm.
För att få en standardkurva kalibrerades spektrometern genom att använda kända sulfatkoncentrationer och registrera absorbansvärdena som de gav upphov till, (Tabell 4.4).
Tabell 4.4 Kända sulfatkoncentrationer och registrerade absorbanser.
Konc. (mg/l) Abs. (nm)
0 0
10 0,065
20 0,16
30 0,212
40 0,315
Därefter kan sulfatkoncentrationen beräknas utifrån den erhållna absorbansen från försöken med hjälp av ekvationen i Diagram 4.1.
y = -46,694x2 + 142x + 0,1926
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
0 0,1 0,2 0,3 0,4
Absorbansen (nm)
Sulfat (mg/l)
Series1 Poly. (Series1)
Diagram 4.1 Plottade värden från Tabell 4.4 och ekvation.
4.6.3 Tiosulfatanalys
Tiosulfatanalysen utnyttjar reaktionen mellan tiosulfat och jod och utfördes med hjälp av titrering. Beräkning av massa tiosulfater (mg S2032-
) sker utifrån (4.20) och (4.21) vilket ger (4.22).
M n
m (4.20)
V c
n (4.21)
M V c
m (4.22)
Där:
m = Massa (g)
M = Molmassa (g/mol) n = Substansmängd (mol) c = Koncentration (mol/dm3) V = Volym (dm3)
Beräkning av mg S2032- blir således enligt (4.23).
112 01
, 0 05
, 0
*
*
2 2
3
2O A B
S
m (4.23)
Där:
0,05 = Koncentration jodlösning 0,01 = Koncentration tiosulfatlösning 112 = Molmassa (S2O3)
A = Volym jodlösning B = Volym titreringslösning
Eftersom det är känt hur mycket lakvatten (ml prov) som innehåller en bestämd massa S2032-
kan koncentrationen (mg/l S2032-
) bestämmas med hjälp av ekvation (4.23) insatt i (4.24).
l mg O ml S
prov mg O S ml prov
mg O S ml prov
mg O
S 1000 /
1000
1 2
3 2 2
3 2 2
3 2 2
3
2 (4.24)
4.6.4 Metallanalys
Vid metallanalys lämnas lakvattenprover in till ALS för en V3-a analys inklusive analyser av Mo och S. Vid en V3-a analys (”grundämnen i förorenat vatten”) undersöks följande grundämnen, Tabell 4.5. Mo och S är extra tillval och siffran inom parentes anger rapporteringsgräns i enheten µg/l.
Tabell 4.5 Grundämnen vid en V3-a analys
Al (2) As (1) Ba (0.2) Ca (200) Cd (0.05) Co (0.05) Cr (0.5) Cu (1) Fe (4) Hg (0.02) K (500) Mg (90) Mn (0.2) Na (120) Ni (0.5) Pb (0.2) Zn (2) Mo (1) S (160)
5 LABORATORIEFÖRSÖK
Kapitlet laboratorieförsök förklarar hur försöken har utförts, vilka material som har använts samt vilka parametrar som har studerats.
5.1 Insamling av material och provberedning
Anrikningssanden som användes hämtades i Boliden och är en blandning av malmen från Maurliden och Kristineberg. Grönlutslam och flygaska beställdes från Billerud i Kalix.
Grönlutslam anlände i dunkar och för att få representativa prover utfördes en handomblandning av grönlutslammet, se Figur 5.1.
Figur 5.1 Omblandning av grönlutslam.
Därefter bestämdes torrsubstans och vattenkvot för materialen, anrikningssand och grönlutslam, för att beräkna hur mycket material som behövdes för att tillverka proverna enligt Tabell 3.1. Se exempel nedan för beräkning av hur mycket material som behövs för att fördela mängderna efter torrsubstans (TS).
Exempel:
Om ett prov på 400 g TS skall beredas och innehålla 70% anrikningssand och 30% GLS behövs följande mängd material, enligt (5.1) och (5.2).
sand Anriknings sand
Anriknings TS X
7 , 0
400 (5.1)
GLS
GLS TS
X 3 , 0
400 (5.2)
Omskrivning av (5.1) och (5.2) ger (5.3) och (5.4).
sand Anriknings sand
Anriknings
TS X
7 , 0
400 (5.3)
GLS GLS
TS X 3 , 0
400 (5.4)
Torrsubstansen för varje material beräknas enligt ekvation (5.5).
m
TS ms (5.5)
TSAnrikningssand = 0,78 TSGLS =0,46
Insättning av TS i (5.3) och (5.4) ger:
g XAnrikningssand 360
g XGLS 260
För att bereda ett prov på 400 g TS enligt exempel ovan (70/30) behövs följande mängd material, 360 g anrikningssand och 260 g grönlutslam.
Materialen blandades sen med hjälp av en blandare i cirka 5 min, se Figur 5.2, och därefter bestämdes vattenkvoten.
Figur 5.2 Blandning av proverna.
Laborationsutförandet delades in 6 olika delar:
permeabilitetsförsök med konstant tryckhöjd pyknometerförsök
packningsförsök
frysningsförsök med påföljande permeabilitetsförsök hållfasthetsförsök (enaxiellt tryckförsök)
lakningsförsök.
5.2 Permeabilitetsförsök med konstant tryckhöjd
Permeabilitetsförsöken utfördes på de laboratorietillverkade proverna och på proverna upptagna i fält. Laboratorieproverna var de egentillverkade proverna enligt Tabell 3.1. Fältproverna var grönlutslam från en grönlutslamsdeponi tillhörande Iggesunds bruk i Iggesund. Proverna upptagna i fält bestod av 3 prover med replikat. 3 prover var upptagna med kolvprovtagare, dock var dessa prover inte homogena vilket ledde till att proverna packades om. De använda replikaten var prover som hade tagits i provgropar från samma djup som de kolvupptagna. Fältproverna 1, 2 och 3 var tagna på olika djup (6,7-7,0 m, 1,5- 2,0 m, 4,6-5,0 m) och därmed hade de olika åldrar eftersom utplaceringen av grönlutslammet till deponin hade skett i omgångar.
Totalt tillverkades 5·2 (innehållande grönlutslam direkt från fabrik) + 3·2 (grönlutslam från deponi) = 16 prover för permeabilitetsbestämning.
Vid beredning av proverna applicerades bentonitlera på insidan av provrören (standardtuber för kolvprovtagning) för att motverka att vattnet skulle ta den lättaste vägen längs med randen av provröret. Ett filter placerades i botten på provröret och materialet packades därefter i provröret. Packningen utfördes i omgångar genom att tillsätta ca 1 cm material i provröret varav det systematiskt packades. Detta upprepades till dess en längd på 10 cm prov packats in. Ett filter placerades sedan på toppen av det packade materialet och provröret förslöts i båda ändarna. Vatten kunde sedan kopplas till denna förslutning för att möjliggöra mätningen av permeabiliteten. När proverna var förberedda placerades de i försöksuppställningen, enligt Figur 5.3.
Figur 5.3 Försöksuppställning vid permeabilitetsmätning.
Försöksmetoden som användes var permeabilitetsförsök med konstant tryckhöjd och permeabiliteten beräknas med Darcy’s lag, se avsnitt 4.1. Provet trycksattes med vatten underifrån, för att trycka ut eventuell luft i provet.
Vattnet togs ut ur provet från toppen av provröret och samlades upp i ett mätkärl. Vattnet som gick igenom provet mättes under en bestämd tidsperiod, varvid flödet kunde beräknas. Permeabiliteten beräknades därefter genom vetskap om tryckhöjd och provlängd. Försöken pågick till dess att mängden vatten i mätkärlen per tidsenhet var nära konstant. Ett medelvärde togs på de tre sist erhållna värden vid beräkning av volym vatten per tidsenhet.
Val av gradient gjordes utifrån Tabell 4.1 där grönlutslam antogs ha en permeabilitet på 10-9 m/s (avsnitt 2.2.2) vilket ledde till en gradient på 30 (se avsnitt 4.1). Vid omgång 1 valdes en gradient just under 30. Denna ansågs sedan var för hög när proverna visade sig ha en något högre permeabilitet än förväntat och därför sänktes den till cirka 26 vid den andra omgången prover.
5.3 Pyknometerförsök
Kompaktdensiteten bestämdes med hjälp av pyknometerförsök och den användes för att beräkna provernas porositet och portal. Pyknometerförsöken startades genom att bestämma volymen av en pyknometer genom att väga den torr och därefter väga den fylld med vatten. Utifrån vetskapen om vattnets temperatur/densitet kunde pyknometerns volym beräknas. Materialet som skulle analyseras, vilket var torkat vid 105° C och pulvriserat, hälldes i den torra pyknometern. Det torra materialet och pyknometern vägdes, där mängden material var cirka 20 g. Nästkommande steg var att tillsätta destillerat vatten i pyknometern för att koka och driva bort luftblåsor från materialet. Denna kokning pågick i 10 min och därefter fick provet stå och svalna. När pyknometern återtagit rumstemperatur justerades vattennivån i pyknometern så att hela volymen var fylld med vatten och material. Därefter registrerades temperaturen på vattnet och pyknometern med vatten och material vägdes.
Slutligen kunde kompaktdensiteten på materialet beräknas utifrån vetskapen om rådande densitet på vattnet. Beräkning utfördes enligt avsnitt 4.2 och Bilaga 3. (Pusch 1972) Figur 5.4 visar en tom pyknometer och kokplattan som användes.
Figur 5.4 Pyknometer och kokplatta.
