Projekt 29349/01

Entwicklung einer innovativen Trennmethode für gebrauchte Bentonitsuspensionen zur ökonomisch vorteilhaften, ressourcenschonenden und umweltgerechten Entsorgung

Projektträger

Ruhr-Universität Bochum Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb Gebäude: IA 5-26
Universitätsstr. 150
44780 Bochum

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Bentonite sind aufbereitete Tone aus natürlichen Vorkommen, die in Wasser dispergiert für den Spezial-tiefbau von besonderer baupraktischer Bedeutung sind. Durch die vielseitige Verwendbarkeit entstehen auf diversen Baustellen große Mengen von gebrauchten Bentonitsuspensionen, die durch Aufladung mit Bodenpartikeln ihre bautechnisch relevanten Eigenschaften verlieren und in dieser Form nicht mehr ver-wendet werden können. Die anschließende Entsorgung der gebrauchten Bentonitsuspensionen erweist sich als schwierig, da diese stabil sind und sich nicht selbstständig entmischen.
Hier setzte die Idee eines geschlossenen Recyclingprozesses für Bentonitsuspensionen an: Ziel dieser Forschungsarbeit war und ist es, die aktuell bestehenden Separationsverfahren durch ein innovatives, neuartiges Verfahren zu optimieren oder zu ersetzen und in ein neu zu entwickelndes Aufbereitungssys-tem einzubinden. Synergie-Effekte mit den bestehenden Systemen leisten dabei einen positiven Beitrag zur Entlastung der vorrangigen Kosten und der Umwelt, indem die Ressourcen der Bentonitlagerstätten und Wasservorkommen geschont, Transportwege massiv reduziert werden.



Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Entwicklungsziel konzentrierte sich auf die Anwendung der Elektrokoagulationstechnik zur Trennung von Bentonitsuspensionen, die mit Bodenpartikeln bis an die Grenze der Tragfähigkeit aufgeladen sind. Dabei waren insbesondere die Auswirkungen der besonderen rheologischen Eigenschaften von Ben-tonitsuspensionen auf den Elektrolyse- bzw. Elektrokoagulationsprozess ebenso dezidiert zu untersu-chen, wie der Einfluss der sich im Zuge des Koagulationsprozesse verändernden Leitfähigkeit der Sus-pension und der an den Elektroden durch die Anlagerung der Bentonitpartikel auftretenden Passivierung. Hierbei wurden völlig neue Anforderungen an die Trenntechnik gestellt, da die Schwebstoffe, die in der kommunalen oder industriellen Abwasserreinigung zu separieren sind, in weitaus geringeren Konzentra-tionen anfallen und mit den Inhaltsstoffen von aufgeladenen Bentonitsuspensionen nicht vergleichbar sind.


Ergebnisse und Diskussion

In der ersten Projektphase wurden an der Ruhr-Universität Bochum verschiedene Elektrolysezellen kon-struiert und gebaut (Laborprototypen), die alle wesentlichen Systembestandteile für die Elektrokoagulati-on enthalten. Mithilfe dieser Zellen wurden zielorientiert die den Elektrolyseprozess beeinflussenden
Eigenschaften, wie z.B. Leitfähigkeit, pH-Wert, Strömungsverhalten und Durchflussgeschwindigkeit der Suspension innerhalb der Elektrokoagulationszelle ebenso wie Ursprung, Menge und Eigenschaften der aufgeladenen Bodenpartikel als auch Elektrodenmaterial, -größe und -abstand sowie Varianz von Strom-stärke und Spannung, in einzelnen Parameterstudien systematisch untersucht.
Eine Herausforderung stellte die zunehmende Passivierung der Anode durch die vermehrte Anlagerung von Bentonitpartikeln an der Anodenoberfläche im Zuge der Elektrolyse dar. Hier wurde ein Weg zur kon-tinuierlichen Reinigung der Anode gefunden. Die besten Ergebnisse der Laboruntersuchungen im Hin-blick auf eine möglichst hohe Effektivität beim Trennprozess wurden in der sog. "Best Combination"-Matrix zusammengefasst.
Auf dieser Basis wurde das Design eines großformatigen Prototypen von der Firma Herrenknecht für den Einsatz des Elektrokoagulationsprozesses auf der Baustelle entwickelt. Hierzu wurde eine Analyse des Verfahrensablaufs innerhalb der Elektrolysezelle und möglicher Varianten durchgeführt. Dabei wurden die verschiedenen Möglichkeiten der Integration des neuen Trennverfahrens in bestehende Separationsabläufe untersucht und verschiedene Lösungen für die Separation und Destabilisierung gebrauchter Suspensionen erarbeitet.
Die Herausforderung liegt nun in der Überführung der Elektrokoagulationstechnik vom Labormaßstab in einen Großmaßstab, der die technischen Anforderungen der Tunnelvortriebs-Praxis erfüllt, wie. z.B. gro-ße Durchflussmengen, inhomogenes Bodenmaterial von klebrigem Ton über Sande zu grobkörnigen Kiesen in der Suspension, etc. Grundsätzlich werden für den Praxiseinsatz zwei Anwendungsfälle der Elektrokoagulationstechnik unterschieden: Im ersten Fall werden spezielle Elektrokoagulationszellen an definierten Punkte innerhalb des bestehenden Separationskreislaufs zur Unterstützung der herkömmli-chen Trenntechnik eingesetzt, wie z.B. bei Kammerfilterpresse und Hydrozyklonen. Im zweiten Fall wird die Elektrokoagulation als stand-alone Anlage die Trennung der verwendeten Suspension realisieren. Es gilt hierbei, den Anforderungen aus der Praxis hinsichtlich Verweildauer in der Zelle, Trennpotential in Abhängigkeit von der Einwirkzeit, erforderliche Durchflussmenge usw. gerecht zu werden.



Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Aufgrund des engen Zeitplans und des anspruchsvollen Versuchsprogramms wird mit der Verbreitung der Forschungsergebnisse im Anschluss an die Projektbearbeitung begonnen.


Fazit

Bislang existiert kein weiterführender, über die bestehenden Separationsstufen hinausgehender Ansatz für das Recycling von gebrauchten Bentonitsuspensionen, so dass alle eingesetzten Rohstoffe nahezu vollständig verloren gehen. Mit dieser Forschungsarbeit wird der Nachweis erbracht, dass Suspensionen mit einem einfach anzuwendenden Trennverfahren auf Basis der Elektrokoagulation ohne den Einsatz von chemischen Zusatzstoffen weitestgehend in ihre Bestandteile Wasser, Bentonitpartikel und aufgela-denes Bodenmaterial separiert werden können.
In einer nächsten Phase soll die Umsetzung dieser innovativen Technik vom Labormaßstab in den Großmaßstab realisiert werden. Dann wäre es erstmalig möglich, die Idee für einen geschlossenen Re-cyclingprozess für gebrauchte Bentonitsuspensionen zu konkretisieren: Das Bodenmaterial kann bei ent-sprechender Eignung für andere Zwecke wieder verwendet werden, das Wasser kann entweder dem Wasserkreislauf zugeführt oder erneut eingesetzt werden. Weitere Forschungsarbeiten sind nötig, um technische Lösungen für die Aufbereitung des Bentonits nach der Trennung zu finden, so dass es zum erneuten Anmischen von frischen und qualitativ hochwertigen Suspensionen verwendet werden kann.
Gesamtziel dieser Forschungsarbeit, die aktuell bestehenden Separationsverfahren durch ein innovati-ves, neuartiges Verfahren zu optimieren und in ein neu zu entwickelndes Aufbereitungssystem einzubin-den, kann nur in mehreren Schritten erfolgen. Die gesteckten Teilziele der ersten Phase wurden erreicht.
Mit der konsequenten Umsetzung eines praxisgerechten Trennverfahrens auf Basis der Elektrokoagula-tion können positive Beiträge zur Entlastung der vorrangigen Kosten und der Umwelt geleistet werden, indem die Ressourcen von Bentonitlagerstätten und Wasservorkommen geschont sowie Transportwege (lokal und global) massiv reduziert werden.