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Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.25673/3494
Title: Speichermineralbildung und Alinitherstellung aus MVA-Flugasche, Mansfelder Kupferschlacke und Kalksteinmehl
Author(s): Tewelde, Mulugheta
Granting Institution: Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
Issue Date: 2004
Extent: Online-Ressource, Text + Image
Type: Hochschulschrift
Language: German
Publisher: Universitäts- und Landesbibliothek Sachsen-Anhalt
URN: urn:nbn:de:gbv:3-000007191
Subjects: Elektronische Publikation
Zsfassung in engl. Sprache
Abstract: Die erste Erwähnung des Kupferschieferbergbaus in der Mansfelder Region datiert aus dem Jahre 1199. Von dem intensiven Bergbau im Mansfelder Revier und der Verhüttung zeugen zahlreiche Halden mit Bergmaterial und nicht verhüttbarem Kupferschiefer sowie Schlacke (WITZKE und PÖLLMANN, 1996). Der Abbau und die Verhüttung des Kupferschiefers sind seit etlichen Jahren eingestellt. Der Kupferschieferbergbau im Mansfelder Land hinterließ mehr als 2000 Halden. Im Raum Eisleben / Helbra lagern oberirdisch ca. 50 Mio. t verwendungsfähige Rohhüttenschlacke, die bei der über 800-jährigen Kupferschieferverhüttung angefallen sind. Diese Schlackenhalden der Rohhütte Helbra, deren Schlacken bei dieser Arbeit verwendet wurden, lagern im Gegensatz zu den von Pflanzen besiedelten Kupferschieferhalden, vegetationslos in der Landschaft. Aber trotz dieser riesigen Schlackenhalden sind in den Gewässern, in den Böden und in den Sedimenten keine Inhaltsstoffe der Kupferschlacke festzustellen (SCHRECK, 1997). Die Kupferschlacke stellt für ihre weitere Verwendung aus umwelttechnischen Gründen keine Problematik dar. Es wurde deshalb schon frühzeitig versucht, die Schlacken einer sinnvollen Nutzung zuzuführen. Die Kupferschlacken bestehen im wesentlichen aus Glas und Fe-, Mg-, Ca-Silikaten (Witzke und PöllMAnn, 1996). Untersuchungen an Mansfelder Kupferschlacken wurden von WITZKE (1997) und GALONSKA (1997) durchgeführt. Außerdem wurde die Frage der Nutzung der Mansfelder Kupferschlacke als alternativer Baustoff von PENTINGHAUS et al. (1997) und VIEHL (1997) erörtert. Im Gegensatz zu Roheisenschlacken, bei denen der Verwertungsgrad fast 100% ist, werden die Mansfelder Kupferschlacken ganz wenig genutzt (LEEDER et al., 1989). Bisher wurden sie fast ausschließlich im Straßenbau eingesetzt. In Hinblick auf eine Sanierung des Mansfelder Reviers, im Rahmen des Haldenabbaus als Grundlage für eine Rekultivierung des Gebiets, ist die Erforschung weiterer Einsatzmöglichkeiten erforderlich. Diese Arbeit soll einen Beitrag dazu leisten. Sie ist in zwei verschiedene Forschungsvorhaben, die nachstehend kurz erläutert werden, geteilt. 1) Das erste Vorhaben besteht darin, die Mansfelder Kupferschlacke für Schadstoffimmobilisierung (Schwermetalle von MVA-Flugasche) durch Bildung von Speichermineralen einzusetzen (HAMROLL und PÖLLMANN 1997, PÖLLMANN et al., 1986 und PÖLLMANN, 1998). Diese entstehen durch thermische Behandlung der Abmischungen (primäre Speicherminerale) sowie durch hydraulische Reaktionen (sekundäre Speicherminerale). Die Wirkung der Speicherminerale beruht auf der kristallchemischen Fixierung von Schadstoffkationen und -anionen in ihren Gittern (NEUBAUER, 1992). Nachfolgend sind einige Speicherminerale (primäre und sekundäre) beispielhaft aufgelistet. Primäre Speicherminerale Sekundäre Speicherminerale Ellestadit --- Ca10[(SiO4)3(SO4)3(Cl,OH,F)2] Ettringit --- Ca6[Al2(OH)12.24H2O][(SO4)3nH2O] Ternesit --- Ca5[(SiO4)2SO4] Calciumsilikathydrat --- (x)CaO(y)SiO2(n)H2O Nasonit --- Me6Me4[(Si2O7)2Cl2] Zeolith --- ((MII,M2I)O.Al2O3. (x)SiO2(y)H2O) Es konnten in dieser Arbeit Speicherminerale durch thermische Behandlung geeigneter Abmischungen von Kupferschlacke, MVA-Flugasche, REA-Gips und Kalksteinmehl (zum Einstellen des Chemismus) in statischen Versuchen im Labormaßstab gebildet werden. Dadurch konnte die anfangs vorhandene Eluierbarkeit der Schwermetalle (die aus MVA-Flugaschen stammten) soweit erniedrigt werden, dass sie weit unter den erlaubten Werten nach TA (Technische Anleitung)-Siedlungsabfall Deponieklasse II lagen. Anschließend wurden Vorversuche im Labormaßstab in einem Labordrehrohrofen zur Überprüfung der Möglichkeit einer Übertragung dieser Ergebnisse auf einen kontinuierlichen technischen Prozess durchgeführt. Die Eluierbarkeit der Schwermetalle des dynamischen Versuches im Drehrohrofen war deutlich niedriger als die des statischen Versuches. 2) Beim zweiten Vorhaben dieser Arbeit wird der Einsatz von Mansfelder Kupferschlacke zur Herstellung von Alinitzement (OBERSTE-PADTBERG et al., 1989, MOTZET et al., 1994) (hydraulische Bindemittel) durch Zumischung von MVA-Flugasche und Kalksteinmehl untersucht. Alinitzement ist ein chloridhaltiges hydraulisches Bindemittel, das Portlandzement in nicht stahlbewehrten Betonen ersetzen kann (MOTZET, 1994). Alinitzemente können u.a. als Expansivzemente und als schnell erhärtende Bindemittel verwendet werden (PÖLLMANN et al., 1995). Alinitzement wird in Osteuropa und der GUS hergestellt und wurde im Baubereich in der Größenordnung von ca. 100. 000 t/a eingesetzt (MOTZET et al., 1994). Alinitzement kennzeichnet sich u.a. durch: - hohe Frühfestigkeit - schnelle Erstarrungszeit - Verarbeitbarkeit auch bei niedrigen Temperaturen ( - Verwendung als Deponiebaustoff (Motzet und Zysk, 1994). In dieser Arbeit konnte Alinit durch Zumischen von Kupferschlacken, MVA-Flugasche und Kalksteinmehl (zum Einstellen des Chemismus) synthetisiert werden. Es wurden dabei neben Alinit Speicherminerale wie Chlorellestadit gebildet. Die Eluierbarkeit der Schwermetalle lag dabei weit unter den Grenzwerten des TA-Siedlungsabfalls Deponie-Klasse I*. Weiterhin zeigten die wärmeleitungskalori-metrischen Untersuchungen der Alinit-Abmischung eine früh auftretende Hydratation. Die Hydratation trat in den ersten zwei Stunden auf. Damit können als Ergebnis dieser Arbeit 2 mögliche Einsatzgebiete der Mansfelder Kupferschlacke aufgezeigt werden: 1. Verwertung der Mansfelder Kupferschlacke zur Immobilisierung von Schadstoffen und 2. Verwertung der Mansfelder Kupferschlacke in der Spezialzementherstellung * Laut der Dritten Allgemeinen Verwaltungsvorschrift zum Abfallgesetz vom 14. Mai 1993 gehören zur Deponieklasse I solche Abfälle, die einen sehr geringen organischen Anteil enthalten und eine sehr geringe Schadstofffreisetzung im Auslaugungsversuch zeigen. Zur Deponieklasse II gehören solche Abfälle, die einen höheren organischen Anteil enthalten als die, die auf Deponien der Klasse I abgelagert werden dürfen, und bei denen auch die Schadstofffreisetzung im Auslaugungsversuch größer ist als bei der Deponieklasse I.
Coppermining in the Mansfeld region was first mentioned back in the year 1199. Numerous dumps of unsmeltable copper-schict and slag give evidence of the one time intensive mining in the Mansfeld area (WITZKE und PÖLLMANN, 1996). The mining and smelting activity of copper-schist in this area was terminated since many years. The copper mining industries in Mansfeld area have left almost 2000 waste dumps. About 50 Million tons applicable copper slags which are remains of the 800 years of copper production are stored in the area of Eisleben / Helbra. Those copper-slag-dumps of Helbra, which are used in this research work, are stored, contrary to those, which are covered with plants, without any cover of vegetation. In spite of this huge amount, there is no indication of any substances of the copper-slags in the surrounding soil, sea sediments and waters (SCHRECK, 1997). As a result, from the environmental technical reasons point of view, the copper slags do not cause any harm if utilised properly. The copper-slags consist of mainly glass and Fe-, Mg-, Ca-silicates (WITZKE und PÖLLMANN, 1996). Examination of the copper slag has been also performed by several authors such as WITZKE (1997) and GALONSKA (1997). Moreover, the question of using the copper slag as alternative building material is discussed, by, among others, PENTINGHAUS et. al. (1997) and VIEHL (1997). Compared to those pig-iron slags, of which the degree of utilisation is almost 100%, the Mansfeld copper-slags are used very seldom (LEEDER et al. 1989). So far, this particular copper slag has been used exclusively in road constructions. In view of restoration of the Mansfeld district, with the aim of reducing its dump areas, researches should be made so as to assure further applications of the copper slags. It is the aim of this research to contribute to this idea; and it is divided into two parts, which are explained in short below. 1) The first part deals with the examination of the application of copper slag in immobilising hazardous elements through formation of mineral reservoirs (HAMROLL und PÖLLMANN, 1997, PÖLLMANN et al., 1986 und PÖLLMANN, 1998). These can be formed by thermal treatment of an appropriate mixture (primary mineral reservoirs) as well as by hydraulic reactions (secondary mineral reservoirs). The effect of mineral reservoirs is based on the fixation of detrimental cations and anions in their lattice (NEUBAUER, 1992). Some examples of mineral reservoirs are listed in the following. Primary mineral-reservoir Secondary mineral-reservoir Ellestadite --- Ca10[(SiO4)3(SO4)3(Cl,OH,F)2] Ettringite --- Ca6[Al2(OH)12.24H2O][(SO4)3nH2O] Ternesite --- Ca5[(SiO4)2SO4] Calciumsilicatehydrate --- (x)CaO(y)SiO2(n)H2O Nasonite --- Me6Me4[(Si2O7)2Cl2] Zeolite --- ((MII,M2I)O.Al2O3. (x)SiO2(y)H2O) It could be shown in this research that primary mineral reservoirs could be formed by thermal treatment of an appropriate mixture of Mansfeld-copper-slags, MSWI-residue, gypsum from flue gas desulfurizing plant and limestone fine in a static experiment at a laboratory scale. Through formation of mineral reservoirs, the leaching out of heavy metals (which originated from MSWI) could be highly decreased, so that it could be kept below the permitted leaching-values, which the technical instructions on municipal wastes for dump category II (Technische Anleitung-Siedlungsabfall Deponieklasse II) stipulates. Afterwards the possibility of transferring these results into a dynamic technical process using a laboratory kiln was also carried through. The leaching ability of the heavy metals of this dynamic experiment was much more lower than that of the static experiments. 2) The second part deals with the synthesis of alinite cement (OBERSTE-PADTBERG et al., 1989, MOTZET et al., 1994) out of copper-slag, MSWI-residues and limestone fine. Alinite cement is a chloride bearing hydraulic binder, which can replace Portland cement in many fields (MOTZET, 1994). Alinite cement can be applied generally in mining mortars, expansive cements, rapid hardening binders and in landfill technologies (PÖLLMANN et al., 1995). Alinite cement is produced in Eastern Europe and in CIS (Commonwealth of Independent States) and is applied in construction fields within the magnitude of approximately 100,000 t/a (MOTZET et al. 1994). The main characteristics of alinite are: - high early strength - rapid hardening time - processibility at low temperatures ( - application as building material in landfill sites (MOTZET und ZYSK, 1994). It could be shown in this research that alinite could be synthesised by thermal treatment of an appropriate mixture of copper-slag, MSWI (Municipal Solid Waste Incineration) residues and limestone fines (to correct the chemistry of the mixture). Mineralreservoirs such as Chlorellestadite could also be formed along with alinite. The leaching out of heavy metals, which originated from MSWI, was very much lower than the permitted leaching-values according to the technical instructions on municipal wastes for dump category I*. Heatflow calorimetric investigations on this alinite-mixture showed earlier hydration behaviour. The hydration took place during the first two hours. As a result of this research work, two possible applications of Mansfeld copper-slag could be shown: 1. Usage for immobilising of detrimental substances and 2. Usage for production of special cement. * In accordance with the third administrative regulation on waste avoidance and management of 14 May 1993 belong those wastes, which contain very little organic part and which show a lower release of pollutants during a leach ability test,to dump category I (Deponieklasse I). To dump category II (Deponieklasse II) belong those wastes, which contain higher organic part than those of dump category I and which release also higher amount of pollutants than those of dump category I during a leachability test.
URI: https://opendata.uni-halle.de//handle/1981185920/10279
http://dx.doi.org/10.25673/3494
Open access: Open access publication
Appears in Collections:Hochschulschriften bis zum 31.03.2009

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