Characterization of inorganic and organic pollutants of foundry waste sand

Tez (Doktora)-- İTÜ Fen Bil. Enst., 2001.Katı atıklar modern yaşamın bir gereği haline gelmiş ve son yıllarda giderek artan bir önem kazanmıştır. Çevre kirliliği, su kalitesinin bozulması, atık sahalarının giderek azalan kapasiteleri, yeni atık sahası oluşturulmasına halkın tepkisi, doğal kaynakların giderek azalması yönetmeliklerin ve düzenlemelerin artışına sebep olmuştur. Tehlikeli katı atıklar uygun şekilde işleme tabi tutulmadıkları taktir de çok çeşitli hastalıklara sebep olacak, sağlığa ve çevreye zarar verebilecek ve ölüm oranını artırabilecek atık tipleridir. Endüstriyel tesislerde birçok tehlikeli madde içeren katı atıklar üretilmektedir. Bu sebeple endüstriyel katı atıkların sınıflandırılması ve karakterizasyon testleri yapılarak, içerdikleri tehlikeli maddelerin (ağır metaller ve organik bileşenler) derişimlerinin saptanması gerekmektedir. Çevresel kuruluşlar, ulusal ya da yerel hükümetler, tehlikeli atıkların karakterizasyonu konusunda birçok tanımlama ve metot geliştirmekle kalmayıp, üretildikleri noktadan, son atımına dek atıkların geri kazanılması, geçici olarak saklanması, taşınması gibi birçok aşamada diğer muamele yöntemleri ve sınırlamalar da getirmişlerdir. Halkın şiddetli karşı çıkmasının yanı sıra katı atıkların atılmasında karşılaşılan en önemli problem, göllere ya da açık araziye ya da atım sahalarına uygunsuz atımı ya da kaçak olarak katı atık boşaltanının yeraltı ve çevre su kaynaklarını kirletmesidir. Bu çalışma, bir dökümhane tesisinde üretilen on adet katı atıkta, üç adet karışım atığında ve üretimde kullanılan beş adet hammaddede toplam kirlilik potansiyelinin tespiti ve ardında da liç testleri ile inorganik ve organik kirleticilerin yeraltı suyunu kirletme potansiyelini tespit etmek amacı ile yapılmıştır. Katı atıklar soğuk maça (cold box), sıcak maça (hot box) kırıkları, kalıp kumu ve çeşitli üretim noktalarında bulunan çöktürücülerle toplanan ince toz atıklardır. Hammaddeler ise doğal kum, bentonit, kömür tozu ve kromit kumudur. İnorganik çalışmalar için her madde havanda ezilerek toz haline getirilmiş, 0.3 g numune tartılarak çözünürleştirme işlemleri yapılmıştır. Üç farklı çözünürleştirme yöntemi uygulanmıştır: Yüksek sıcaklıkta soda eritişi (850 °C), asit karışımı ile açık sistemde kaynama sıcaklığında çözünürleştirme, aynı asit karışımı ile kapalı sistemde yüksek sıcaklıkta çözünürleştirme (170 °C). Atıkların ve hammaddelerin içerdikleri kirliliklerin liç edilebilme potansiyelleri asetik asit kullanılarak EPA Zehirlilik Testi (TCLP) ile; su kullanılarak DIN 38414 S4 yöntemi ile tespit edilmiştir. Çözünürleştirme ile elde edilen çözeltiler ve liç çözeltilerinde iz elementleri alev ve grafit fırınlı atomik absorbsiyon spektrometre ile tespit edilmiştir. Sülfat, nitrit ve XV Cr (VI) gibi diğer inorganik kirleticiler ise UV VİS spektrometri yöntemi ile analiz edilmişlerdir. Sonuçlar atıkların alındıkları noktalara ve birbirlerine göre irdelenmiş; TC Çevre Bakanlığı tarafından yürürlüğe konan Tehlikeli Atıkların Kontrolü Yönetmelik (TAKY) değerleri ile karşılaştırılarak atıkların sınıflandırılması yapılmış, evsel atık sahalarına ya da özel korunmalı bölgelere atılıp atılamayacağı konusunda yorumlamalar getirilmiştir. Organik incelemelerin ilk adımında, tüm maddelere EGA FID (Evolved Gas Analysis with Flame Ionization Dedector) ve EGA MS (Evolved Gas Analysis with Mass Spectroscopy Dedector) analizleri doğrudan katıya uygulanarak, organik kirleticilerin kabaca miktarı ve bileşenleri belirlenmiştir. Ultrasonik ve sokslet ekstraksiyon metotları ile organik kirleticiler katı bünyesinden, çözelti ortamına alınmıştır. Süpelco TLC standart karışımında bulunan ve EPA tarafından öncelikli kirletici olarak belirlenmiş olan 16 adet PAH' m (Polycyclic Aromatic Hydrocarbon) ve katı maddeler kullanılarak hazırlanan diğer bir PAH standart karışımındaki maddelerin ve şahit standardın (2-floro biphenil) relatif respons faktörleri Süpelco iç standart karışımı kullanılarak saptanmıştır. Ekstraksiyon verimliliği tüm çalışmalarda çözme öncesi katıya ilave edilen şahit standarttan hareketle hesaplanmıştır. Hidrokarbonları uzaklaştırmak için bir saflaştırma işlemi seçilmiş ve ultrasonik ekstraksiyonla elde edilen iki çözeltiye uygulanmıştır. Ekstrakte edilen tüm numunelerde GC MS ile ileri kalitatif ve GC SİM ile kantitatif analizler yapılmıştır. İz elementlerinin katı atıklarda ulaşılan değerleri, tesiste katı atığın alındığı bölgeye bağlı olarak çok değişim göstermektedir. İndüksiyon ocakları cüruf ve toz numunelerinde yüksek miktarlardaki Zn içeriği, bu atık tiplerinin bu metal türü için hammadde olarak kullanılmasının faydalı olacağını göstermektedir. Sıcak maça ve soğuk maça atıklarında toplam Cr derişimi oldukça yüksektir. Liç işlemlerinde tüm iz elementlerinin mobilitesi (hareketliliği) düşük bulunmuş, sıcak maça ve soğuk maça atıklarının liç çözeltilerinde, kanserojen olan Cr (VI) değeri oldukça düşük bulunmuştur. TAKY' ye göre atıkların hemen hemen hepsinin inorganik kirleticiler açısından tehlikeli atık olarak tanımlanmamış olmasına rağmen, tek başlarına evsel katı atık sahalarına depolanmamaları gerektiği tespit edilmiştir. Atıkların tek başına özel atım sahalarına depolanması gerektiği, evsel atık atım sahaları için bir karışım hazırlanacak olursa bazı atıkların karışıma dahil edilmemesi gerektiği saptanmıştır. Kömür tozu ve kum, atıklardaki iz element miktarını çok etkilememekte bunun yanı sıra kromit kumunun etkisi gözlenmektedir. EGA FID ve EGA MS ile yapılan ön çalışmalarda birçok katı atıkta, kömür tozundan düşük miktarlarda PAH kirlilik potansiyeli gözlenmiş fakat kum ve bentonit gibi hammaddelerde ve indüksiyon ocağı cüruf atığında organik madde çıkışı izlenmemiştir. Ultrasonik ekstraksiyon çalışmalarında ekstraksiyon verimliliği %49- 111 arasında değişmektedir. Saflaştırma işlemi ile ekstraksiyon çözeltisinden, hidrokarbonların yanı sıra ftalik asit esterleri de uzaklaştırılabilmiş fakat bu işlem PAH' ların derişimin azalmasına sebep olmuştur. Ultrasonik ekstraksiyon yöntemi ile 16 adet Süpelco TLC Standart PAH miktarları kömür tozunda 87 ug/g olarak hesaplanırken, katı atıklarda daha düşük olup, 0.1-10 ug/g arasında değişim göstermektedir.Solid waste generation is a fact of modern living. In recent years, it has received some respect, or at least some serious attention. Environmental pollution, water quality deterioration, space limitations, landfills reaching full capacity, public opposition hindering new site development, loss of valuable resources and many more issues are being raised by citizens, legislators and public official. Hazardous waste in general as a solid waste that may cause increased mortality or serious illness or may cause substantial hazard to health or the environment when improperly managed. Industrial plants produce several solid wastes which contain hazardous chemicals. Therefore to classify the industrial solid waste, waste characterization tests should be performed and hazardous compound (heavy metals and organic constituents) concentrations must be determined. Environmental foundations, federal or state governments promotes definition and characterization of hazardous waste besides the other management procedure such as resource recovery and conservation and control of hazardous waste from its point of generation to ultimate disposal. The most common problems associated with the disposal of hazardous waste, in addition to public opposition, are groundwater pollution from lagoons, landfills, dumps, sludge disposal, other land disposal systems, spills and unauthorized dumping. This investigation was conducted to determine the total amount of pollution and potential for and extend of groundwater contamination by inorganic and organic matter on ten solid wastes, three mixture of some wastes arising from and five raw materials used in a ferrous foundry in Turkey. The solid wastes are hot box and cold box mold lumps, mold sand and particulates which were taken by precipitators from different operation parts of the production. For inorganic experiments, each solid was ground into fine particulate and 0.3 g of sample was weighed for digestion. Three different digestion methods were applied: Soda fusion with high temperature (850 °C), acid digestion in boiling temperature and open system, acid digestion in autoclave system with high temperature (170 °C). Leaching potential of the wastes and raw materials was evaluated by toxicity characteristic leaching procedure (TCLP) by using acetic acid and DIN 384141 S4 method with water. Digested samples and leachates were analysed for trace elements in flame and graphite furnace atomic absorption spectrometry. Some other pollutants such as sulphate, nitrite and chromium (VI) were examined by UV Vis spectrometry. Concentrations of the pollutants in both digested samples and leachates xvn T.C YÜKSEKÖ?RETİM KURULU DOKÜMANTASYON MERKEZİ were compared the limits of Turkish Regulations of Hazardous Waste (TAKY) to decide the classification and landfill potential to municipal or specific area for hazardous waste. In first step of organic experiments, all samples were measured in EGA FDD (Evolved Gas Analysis with Flame Ionisation Detector) and EGA MS (Evolved Gas Analysis with Mass Spectroscopy Detector) directly in solid form to determine the amount and constituents of organic pollutants. Sonication and soxhlet extraction methods were used to dissolve the organic materials from the matrix of solid. Supelco internal standard was used to determine of Relative Response Factors of each component of PAHs (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons) in Supelco TLC standard mixture and solid standard mixture. Supelco surrogate standard, 2-floro biphenyl was used to calculate the efficiency of every extraction studies. Hydrocarbon removing clean-up procedure was applied for two different samples to concentrate the PAHs in sonicated extract. All extracted samples were examined in GC MS advanced qualitative and GC SIM analysis quantitative analysis. Total trace element concentrations show that each solid waste and raw material trace element constituent varied according to their current point. Slag and the dust of the induction furnace are rich for zinc and they can be used as raw material of this metal. Total chromium concentration is very high in hot box and cold box samples. The leaching procedure showed that mobility of trace elements is not very high. According to TAKY, none of the solid wastes can be lanfilled on municipal solid waste areas also it is needed to separate some very hazardous ones to be able to landfilled on specific, regular areas for hazardous material. Coal powder is not contributed of trace metal composition on solid waste but all trace elements are affected by raw material of chromate sand. Preliminary study by EGA FID and EGA MS showed that all solid waste has pollution potential for PAHs but sand and bentonite has no organic constituents. Sonication extraction efficiency is changing between the range of 49-1 1 1%. Clean up procedure of sonicated samples is useful to separate hydrocarbons and phthal anhydrides but also causes the loss of PAHs during the process. Concentration of PAHs are changing between the range of 0.1-10 \igfg, while coal powder has 87 ug/g for the same 16 compounds of Supelco TLC Standard. DoktoraPh.D