Ús de residus no perillosos i aluminosilicats per a la remediació de sòls contaminats amb metalls pesants

Abstract

El sòl és un recurs no renovable a curt i mitjà termini ja que els processos que generen un sòl són extremadament lents i requereixen de milers d’anys. A més a més, no és un sistema aïllat, sinó que presenta interaccions dinàmiques amb la geosfera, l’atmosfera i la hidrosfera, per la qual cosa està exposat a l’entrada de contaminants a través de moltes fonts de contaminació. L’origen dels metalls pesants en els sòls, que pot ser geogènic i antropogènic, marca el nivell de concentració, la forma química i la mobilitat a la qual es troben. La contaminació per metalls pesants en sòls presenta un problema a causa de la seva persistència en el medi, ja que no es degraden. Per tant, la seva presència en sòls s’ha anat incrementant des dels inicis de la revolució industrial. Els metalls pesants més comuns en el sòl són el Pb, Zn, Cd i Cu, i l’As com a metal•loide, i la forma química en la que es troben influencia la seva solubilitat, mobilitat i toxicitat en els compartiments ambientals i a la cadena tròfica. La consideració d’un sòl com a contaminat comporta desenvolupar i aplicar actuacions de recuperació ambiental de l’emplaçament. En nombrosos casos, les intervencions per tractar la contaminació de sòls per metalls pesants es basen en l’addició de materials, el que permet augmentar la retenció dels contaminants i diluir la concentració dels mateixos en les mescles sòl+material resultants, amb la finalitat de fer menys accessible el metall pesant a les plantes i evitar la possible contaminació a altres compartiments ambientals i a la cadena tròfica.

En base a aquesta problemàtica, la present tesi s’ha estructurat de la següent manera:

Primerament, es va fer una comparació de mètodes analítics, prèvia validació, per a la determinació del contingut total d’elements en mostres inorgàniques d’interès ambiental entre diferents tècniques d’anàlisi directa (FRX i µFRX), i mètodes basats en una digestió humida (Aigua Règia i microones) seguida d’una quantificació amb ICP­OES i ICP-MS (detallat en la secció 2.1). Sent la digestió amb microones, combinada amb la mesura per una tècnica òptica adient, el millor mètode per a la determinació, tant d’elements majoritaris com traces, en matrius ambientals inorgàniques.

També es van avaluar els tests de lixiviació per a predir la mobilitat de metalls pesants en mostres ambientals emprant tests basats en extraccions simples fent servir diferents agents extractants, tals com 0,01 M i 1M CaCl2, 0,43 M CH3COOH i 0,05 M EDTA i el test de lixiviació Influència del pH sobre la lixiviació amb addició inicial d’àcid/base (pHstat) (detallat en la secció 2.2). Tot i que la fracció extraïble dels metalls amb EDTA va ser major que la obtinguda en el punt de pHstat equivalent, comparant aquest valor amb el punt de pH més àcid del pHstat, es va observar que aquest últim era el que donava la lixiviació màxima dels metalls i per tant, permet estimar la fracció mòbil màxima de metall a llarg termini.

Finalment es va establir una metodologia de laboratori per a la selecció de materials per la immobilització de metalls pesants en sòls contaminats (detallat en la secció 2.3). Sent els materials amb una elevada capacitat de neutralització àcida i/o capacitat de sorció específica els més prometedors els més adients en ésser addicionats per a la remediació de sòls contaminats amb metalls pesants. Aquesta metodologia es va aplicar per avaluar l’eficiència de l’addició dels materials en un estudi a escala de planta pilot (detallat en la secció 2.4), on es van corroborar els resultats obtinguts prèviament a escala de laboratori.

Metal pollution in soils requires intervention actions to attenuate its impact. In-situ remediation of contaminated soils is recently receiving increasing attention since it is a more feasible and economically affordable approach than ex-situ strategies, especially when facing a large amount of soil to be remediated. In this context, the addition of materials, including non-hazardous wastes to contaminated soils may be a suitable remediation strategy due to a double mechanism: decrease in pollutant mobility and dilution of pollutant concentration (if large material doses are used). Candidate materials must ensure an increase in the pollutant-soil interaction by increasing the pollutant sorption in the resulting mixture and/or by modifying soil properties governing the leaching and related transport of the pollutants into groundwaters and trophic chain. Moreover, another indirect benefit from this remediation strategy is that it may allow the reuse of non-hazardous wastes generated by industrial processes.

In order to give response on this lack of research, the thesis has been divided in the following parts:

Firstly, it has done a comparison of analytical methods, previously validated, to determine the total content of elements in inorganic samples of methods that directly analyze samples without digestion (XRF and µXRF) and methods based on a previous wet digestion (Aqua Regia and Microwaves) followed by quantification with ICP-OES and ICP-MS (detailed in section 2.1). The microwave digestion was the best method to determine the total content of major and trace elements in inorganic environmental matrices.

Also, it has done an evaluation of lixiviation tests to predict the mobility of heavy metals in environmental samples using simple extraction, 0,01 M and 1M CaCl2, 0,43 M CH3COOH and 0,05 M EDTA and the lixiviation test Influence of pH on leaching with initial acid/base addition (pHstat) (detailed in section 2.2). The EDTA extraction yield of metals was higher than pHstat, at the same pH, but if we compare with the most acidic pH of pHstat, we observed that the metal lixiviation was maxim, so the pHstat can estimate the maximum mobile fraction of the metal in a long period.

Finally, it has done the establishment of the laboratory methodology to select the materials to immobilize the heavy metals in contaminated soils (detailed in section 2.3). The best candidates were those with a high acid neutralization capacity and/or specific sorption capacity. This methodology was applied in order to evaluate the efficiency of the materials in a pilot plant study (detailed in section 2.4). The results obtained in a pilot plant corroborated the results obtained in a laboratory scale.