Vorteile der Abfallschlacke zur Korrektur des Säuregehalts des Bodens

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 16042 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Der globale Trend geht dahin, neue Materialien mit verbesserter Umweltfreundlichkeit zu finden. Die nachhaltige Entwicklung der AGENDA 2030 und die Gesetzgebung zur Abfallbewirtschaftung tragen dazu bei, dass eine große Menge Schlacke auf Mülldeponien entsorgt wird, da sie Folgen für die Umwelt hat, was die Aufmerksamkeit auf die Notwendigkeit eines wirksameren Recyclings gelenkt hat. Seit über 30 Jahren gibt es in der Region Galati Schwerindustriebetriebe und für eine effiziente Abfallschlackenbewirtschaftung ist eine ökologische Ausbildung erforderlich. Die landwirtschaftlichen Bodenressourcen sind weltweit ein Problem und durch diese Untersuchung haben wir gezeigt, dass die Mischung aus Hochofenschlacke und Abfallschlacke, die auf Deponien entsorgt wird, dazu beitragen kann, den Säuregehalt des Bodens zu beseitigen und den Ernteertrag zu steigern. Die chemischen, strukturellen und morphologischen Eigenschaften von drei untersuchten verschiedenen Schlackenproben werden für das Recycling in der Landwirtschaft bewertet. Die Ergebnisse zeigten, dass die erhaltene Mischung aus auf Deponien entsorgten Schlackenabfällen und granulierter Hüttenschlacke ihren Nutzen bei der Rettung der betroffenen Gebiete zeigt. Daher wurde durch Elementaranalyse, die mit Röntgenfluoreszenzanalysegeräten bestimmt wurde, das optimale Gewichtsverhältnis für die Zusammensetzung der Boden-Schlacke-Mischung erreicht. Die erhaltene Mischung weist ein Gleichgewicht zwischen einem Boden-pH-Wert von 5,2, was einem mittel sauren Boden entspricht, und einem Schlacken-pH-Wert von 12,5 auf, was einem stark basischen Charakter entspricht, der sich positiv auf den Verbesserungsprozess saurer Böden zur Verbesserung der Bodeneigenschaften auswirkt.

In der Vergangenheit war die Stahlindustrie darauf ausgelegt, Stahl einer bestimmten Qualität und Menge ohne jegliche Überwachung des Umweltschutzes zu produzieren, was zu einem Anstieg größerer Mengen an Nebenprodukten (Schlacke) führte. Die Entsorgung einer großen Menge Schlacke auf Mülldeponien verursachte Folgen für die Umwelt, was die Aufmerksamkeit auf die Notwendigkeit eines wirksameren Recyclings gelenkt hat1. Darüber hinaus ist das mit abgeladener Schlacke gefüllte Land zu einer wichtigen Quelle der Verschmutzung durch Umweltfaktoren geworden, die sich im Hinblick auf Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen negativ auf die menschliche Gesundheit auswirkt2,3,4.

Die verschiedenen Abfallschlacken, die in Stahlwerken anfallen, sind Hochofenschlacke (BFS) und Linz-Donawitzer (LD) Konverterschlacke. Die Zusammensetzung dieser Schlacken unterscheidet sich je nach Erzeugungsquelle, besteht jedoch aus Oxiden wie Siliziumoxid, Aluminiumoxid, Eisen, Kalk und Magnesia5. Aufgrund der rasanten Industrialisierung hat die Menge an metallurgischer Schlacke, die in Schlackenlagern, besetzten Ackerflächen und verschlammten Flüssen abgelagert wird, seit vielen Jahren enorme Mengen erreicht6.

Im letzten Jahrzehnt hat die zunehmende Zahl von Umweltvorschriften, die mit steigenden Kosten und abnehmender Kapazität auf Deponien einhergehen, die Stahlindustrie dazu gezwungen, die Abfallentsorgung zu minimieren und Wege zur Ressourcenrückgewinnung und Wiederverwendung von Abfallschlacken zu finden. Heutzutage gelten die Schlacken aus Hochöfen und Stahlherstellungsprozessen als marktfähige Produkte, die in Zement, Straßenbettmaterial, Bodenverbesserungsmaterial, Tiefbaumaterial und Düngemitteln verwendet werden, und nur ein kleiner Prozentsatz wird als Abfall auf Deponien verarbeitet. Bei der Stahlproduktion fällt pro produzierter Tonne Edelstahl eine Tonne Schlackenabfall an7. Ein wichtiger Beitrag zur Schonung natürlicher Ressourcen, zur Reduzierung der CO2-Emissionen und zur Reduzierung des Energieverbrauchs besteht in der nachhaltigen Nutzung von Schlacken zur Bildung einer auf der Recyclingpraxis basierenden Gesellschaft. Das Hauptziel des Programms HORIZON 2020 der EU besteht darin, Ressourcen aus metallurgischen Abfällen zurückzugewinnen und zu recyceln und eine freundliche ökologische Wirtschaft zu unterstützen8,9,10.

Insbesondere das größte integrierte Stahlwerk von Galati im Südosten Rumäniens ist führend in der Herstellung metallurgischer Produkte mit einer aktuellen Produktionskapazität von 3 Millionen Tonnen Stahl pro Jahr und der Möglichkeit, diese Produktion in Zukunft zu steigern . Die Geschichte des Stahlwerks Galati reicht bis ins Jahr 1968 zurück, mit einer Fläche von 1600 ha, einer Produktion von über 8 Millionen Tonnen Stahl pro Jahr und 12.000 Mitarbeitern. Die Schlackendeponie des Stahlwerks Galati hat eine Fläche von 110 ha und eine Kapazität von 70 Millionen Tonnen Schlacke. Die Schlackendeponie wurde 2009 geschlossen, die Abfallschlacke wurde jedoch nicht recycelt und hat derzeit eine Höhe von 60 m.

Die auf Deponien abgelagerten Schlackenabfälle können aufgrund ihrer hohen Heterogenität nicht einer stofflichen, rohstofflichen oder chemischen Verwertung zugeführt werden. Außerdem bewerteten die Autoren11 die chemischen und bedeutenden geotechnischen Parameter von Schlacke, die auf einer metallurgischen Deponie gesammelt wurde, als alternative Materialien für den Straßenbau. In früheren Untersuchungen haben wir die Wiederverwendung von Schlacke im industriellen Bereich mit materiellen und ökologischen Vorteilen untersucht12.

Saure Böden in der Landwirtschaft (pH-Wert unter 7) weisen eine geringe Fruchtbarkeit sowie schlechte physikalische, chemische und biologische Eigenschaften auf, die den Ernteertrag erheblich beeinträchtigen13. Bodensäure kann zu Molybdän-, Kalzium- und Magnesiummangel in Pflanzen führen und die Phosphorverfügbarkeit verringern14. Da die Landressourcen begrenzt sind, muss auf die Korrektur des Säuregehalts des Bodens und die Steigerung des Ernteertrags geachtet werden. In Japan und Europa wird Stahlschlacke als Bodenverbesserungsmittel verwendet, da sie auf ihrer Oberfläche eine Vielzahl von Spurenelementen wie Cr und V enthält, die in der Schlacke nicht leicht freigesetzt werden. Außerdem erzeugt das Vorhandensein von Ca2+ auf der Oberfläche von Stahlschlacke stabile Ionen potenziell toxischer Elemente (PTE), mit dem Zweck, PTE-Ionen aus kontaminiertem Boden zu immobilisieren15,16. Wen et al.17 zeigten, dass das Aufbringen von Stahlschlacke auf PTE-saure Bergbauböden den pH-Wert des Bodens und die mikrobielle Häufigkeit des Bodens wirksam erhöht und PTE-Ionen immobilisiert, die für ein wünschenswertes Überlebensklima für Pflanzen sorgen. Popescu et al.18 untersuchten drei Quellen für Pfannenofenschlacke (LD) aus rumänischen Stahlwerken mit Eigenschaften hinsichtlich der Stahlherstellung und Lagerung von LF-Schlacke, die diese als umweltfreundliche Sekundärressourcen zur Gewinnung von Materialien zur Verbesserung saurer Böden nutzen. Anger et al.19 untersuchten die Auswirkungen des Vorhandenseins von Pfannenofenschlacke auf die Bodeneigenschaften und kamen zu dem Schluss, dass die Verwendung von Pfannenofenschlacke zur sauren Bodensanierung wirksam ist und sich positiv auf die Bodeneigenschaften auswirkt, was zu einem höheren Ernteertrag führt. Mihalache et al.20 kamen zu dem Schluss, dass die bei der Sekundärraffinierung des Stahls anfallenden Abfälle mit guten Ergebnissen in der Landwirtschaft verwendet werden können, mit positiven Auswirkungen auf die Maisernte und als Ergänzung zur Korrektur saurer Bodenreaktionen, und dass die Schlacke aus der Stahlindustrie Zuwächse mit sich bringt von Kalzium und Mikronährstoffen im Bodengehalt. Fan et al.21 kamen zu dem Schluss, dass die Verwendung von Schlacke als Düngemittel Cr, Cu, Pb und Zn in sauren Böden verringern kann, und wiesen darauf hin, dass die Schlacke zur Kontrolle der PTE-Verschmutzung von Pflanzen und Umwelt eingesetzt werden könnte. Die Forscher22 untersuchten die Machbarkeit der Verwendung von BOF-Schlacke zur Sanierung degradierter Flächen auf zwei verschiedene Arten: als Kalkmaterial und als Ergänzungsnährstoffquelle und sie zeigten, dass mit zunehmendem Schlackegehalt die Mobilität einiger Grundnährstoffe wie Mg abnimmt, also ein Zusatz von mehr als 25 % wird nicht empfohlen. Dongfeng Ning et. al.23 führte Topfexperimente durch, um die Wirkung der Anwendungsmengen von Stahlschlacke auf die Verbesserung des Säuregehalts des Bodens und der Siliziumverfügbarkeit zu bewerten, um die Auswirkungen von Stahlschlacken auf die Immobilisierung von Schwermetallen in kontaminierten Böden zu demonstrieren und die Auswirkungen der Schlackeanwendung zu testen über die Reisproduktivität und die Metallanreicherung und kamen zu dem Schluss, dass Stahlschlacke eine wirksame Ergänzung zur Anpassung des Säuregehalts des Bodens, zur Siliziumernährung der Pflanzen und zur Stabilisierung von Cd in sauren Böden darstellt.

Aus Sicht der Abfallrichtlinie 2008/98/EG (EUR-LEX, 2018) im Hinblick auf das strategische Ziel der EU, die Entsorgung von Siedlungsabfällen vollständig abzuschaffen, ist eines der Ziele der vorliegenden Forschung die Wiederverwendung der auf Deponien abgelagerten Schlackenabfälle .

Ziel der Studie war es, den pH-Wert saurer Böden (5,2) mithilfe einer Mischung aus auf Deponien abgelagerten Schlackenabfällen und granulierter Hochofenschlacke zu verbessern. Die Neuheit unserer Forschung besteht in der Verwendung eines Teils der auf Deponien entsorgten Schlacke ohne selektive Trennung nach Schlackequelle, was ein kostspieliger Prozess ist, aber auch in der Lösung eines wichtigen Umweltproblems hinsichtlich der Stilllegung von Schlackendeponien zur Verbesserung des Säuregehalts des Bodens.

Die FTIR-Spektren von granulierter Hochofenschlacke (Probe 1), auf Deponien entsorgter Abfallschlacke (Probe 2) und einer Kombination aus 50 % granulierter Hochofenschlacke + 50 % auf Deponien entsorgter Abfallschlacke (Probe 3) sind in Abb. 1 dargestellt .

FTIR-Spektren von Schlackenproben.

Durch Analyse des Spektrums (detaillierte Abbildung) im Bereich von 700–1100 cm−1 kann festgestellt werden, dass es im Spektrum aller Schlackenproben deutliche Absorptionspeaks gibt. Die granulierte Hochofenschlacke zeigt die charakteristischen Absorptionsbanden bei 3640, 1418, 980, 944, 861, 753 und 710 cm−1. Die Bande bei 3640 cm−1 wird der Streckschwingung der Hydroxylgruppe zugeordnet, die von den schwach absorbierten Wassermolekülen auf der Schlackenoberfläche stammt24. Die charakteristischen Absorptionsbanden bei 1418, 861 und 710 cm−1 werden dem asymmetrischen Streckungsmodus bzw. Biegemodus der Carbonatgruppe zugeschrieben, und die Bande bei 980 cm−1 wird den Streckschwingungen von Si-O25 zugeschrieben. Die Bande bei 944 und 752 cm−1 stellt die innere Schwingung der tetraedrischen [SiO4]4− und [AlO4]5− dar und stammt von der Si (Al)-O-antisymmetrischen Streckschwingung26.

Im FTIR-Spektrum können die unterschiedlichen Schwingungsmoden der Abfallschlackenprobe beobachtet werden. Die gezeigten Absorptionsbanden liegen bei 1418, 873, 712, 667 und 419 cm−1. Der Peak bei 1418 cm−1 wird dem asymmetrischen Streckungsmodus und Biegemodus der Carbonatgruppe zugeordnet. Die Calcitphase wird durch charakteristische Peaks bei 712 cm−1 (ʋ2 Biegeschwingungen außerhalb der Ebene des CO3−2-Ions) und 873 cm−1 Peak (ʋ2 geteilte Biegeschwingungen des CO3−2-Ions in der Ebene27) bestätigt. Calciumaluminatphase wird durch den charakteristischen Peak bei 419 cm-128 identifiziert. Der Peak um 667 cm-1 wird als Absorptionsbande für verschiedene MO (Metalloxide) wie Al-O, Fe-O, Mg-O usw. beschrieben.29

Bei einer Kombination aus 50 % granulierter Hochofenschlacke und 50 % Abfallschlacke, die auf Deponien abgelagert wird, ist die Intensität der Absorptionsspitzen im Vergleich zu Probe 1 und Probe 2 der Schlacke geringer. Die charakteristischen Absorptionspeaks (978 und 753 cm−1), die den charakteristischen Peaks von Probe 1 entsprechen, sind im Vergleich zu Probe 1 verschoben und den Streckschwingungen von Si-O und der Si (Al)-O-antisymmetrischen Streckschwingung zugeordnet können wichtige Hinweise auf eine chemische Wechselwirkung zwischen Probe 1 und Probe 2 liefern. Die Abnahme der Intensität der Banden bei 875 und 709 cm−1 kann auf die Überlappung der Schwingungen des CO3−2-Ions aus der Calcitphase zurückgeführt werden.

Abbildung 2 zeigt die REM-Aufnahmen der Schlackenproben (Probe 1–3). Man erkennt die charakteristische Morphologie – die Größe und Form der Schlackenproben.

REM-Bilder von Schlackenproben.

Bei größeren Vergrößerungen erkennt man, dass die Oberfläche rau und uneben ist und man erkennt abgerundete, körnige, zerklüftete Formationen. Die Schlackenproben weisen aggregierte Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von einigen Mikrometern auf. Außerdem sind in diesen runden Formationen unterschiedliche Morphologien wie Kugeln, Stäbe und Bretter zu erkennen, die für jede Verbindung/Phase aus metallurgischen Schlacken spezifisch sind.

Abbildung 3 zeigt die EDX-Elementaranalyse von granulierter Hochofenschlacke (Probe 1), auf einer Deponie abgelagerter Abfallschlacke (Probe 2) und einer Kombination aus 50 % granulierter Hochofenschlacke + 50 % auf einer Deponie abgelagerter Abfallschlacke (Probe 3).

EDX-Elementarkarte von Schlackenproben.

Man kann beobachten, dass die vorherrschenden Elemente im untersuchten Bereich Kohlenstoff, Sauerstoff, Kalzium und Eisen sind, was die FTIR-Spektren bestätigt.

Abbildung 4 zeigt EDX-Spektren von Schlackenproben, die in verschiedenen ausgewählten punktuellen Bereichen aufgenommen wurden, um mehr Informationen über die Elementzusammensetzung bestimmter Bereiche zu erhalten. Alle getesteten Schlackenproben weisen einen ähnlichen Elementgehalt auf.

EDX-Spektrenanalyse von Schlackenproben.

Die ausgewählten punktuellen Bereiche werden folgendermaßen hervorgehoben: Die kugelförmige Struktur ist mit einer gelben Linie und die Struktur wie Bretter mit einer grünen Linie für alle analysierten Schlackenproben gekennzeichnet. Im Fall von Probe 1 sind die Werte der vorhandenen chemischen Elemente für beide Strukturen ähnlich und das Silizium weist bei der Kugelstruktur einen höheren Wert auf, was mit dem Vorhandensein von Siliziumdioxid (SiO2) korreliert werden kann. Der höhere Gehalt an Kalzium zeigt, dass es sich bei Probe 1 um Hochofenschlacke handelt, die überwiegend aus Kalzium- und Siliziumzusammensetzungen besteht. Im Fall von Schlacke, die auf einer Deponie abgelagert wurde (Probe 2), stieg der Kohlenstoffgehalt für beide Strukturen und einige chemische Elemente wie Titan, Barium und Mangan erscheinen nicht in den EDX-Spektren und die Erklärung für dieses Phänomen ist, dass die Schlacke dort abgelagert wurde Deponie seit mehr als 30 Jahren. Man kann für die Kombination von 50 % granulierter Hochofenschlacke + 50 % auf Deponien entsorgter Abfallschlacke (Probe 3) beobachten, dass die Werte aller chemischen Elemente sowohl für die kugelförmige als auch für die brettartige Struktur zwischen den ersten beiden Proben liegen, was dies bestätigt FTIR-Spektren zur chemischen Wechselwirkung zwischen Probe 1.

XRD-Muster der Schlackenproben mit den identifizierten Phasen sind in Abb. 5 dargestellt. Probe 1 zeigt geringfügige Peaks an freiem CaO und MgO, die schädlich sein und zu einer Verringerung der Festigkeit führen können. Die Phasen und amorphen Gehalte der granulierten Hochofenschlacke der Probe 1 stimmen weitgehend mit der Literatur überein30. Probe 3 der Schlacke besteht aus einer kristallinen Phase – Ca2Mg2SiO7, Ca2Fe2AlO5, CaCO3 und CaO, wie durch die XRD-Analyse beobachtet. Im Hinblick auf die Beziehungen des thermischen Phasengleichgewichts bilden die identifizierten Verbindungen eine isomorphe Reihe von Meliliten, die spezifisch für basische metallurgische Schlacken ist.

Röntgenbeugungsmuster von Schlackenproben.

In Tabelle 1 sind die in Schlackenproben (Probe 1, 2 und 3) nachgewiesenen Werte in ppm des chemischen Elements aufgeführt.

Die Ergebnisse zeigen eine große Menge Kalzium in allen drei Schlackenproben. Auch die nachgewiesenen Elemente wie Fe, Al, Mg und Si stimmen mit den XRD-Spektren überein.

Die chemische Zusammensetzung der Hauptelemente, aus denen sich die Boden-, Bodenschlacke- und Schlackenproben zusammensetzen, wurde mittels RFA bestimmt. Die in ppm ausgedrückten Werte chemischer Elemente sind in Tabelle 2 dargestellt. Im Falle der Bodenprobe sind die Hauptbestandteile Eisen, Titan, Mangan und potenziell toxische Elemente (PTE) wie Arsen, Zink, Kupfer und Kobalt . Für Boden-Schlacke 1 mit einem Gewichtsverhältnis Boden:Schlacke (1:1) kann das Verschwinden der in der Bodenprobe enthaltenen potenziell toxischen Elemente (PTE) und die Abnahme des Konzentrationswerts von Zink beobachtet werden. Wenn das Gewichtsverhältnis der Schlacke um 3 zunimmt (Boden-Schlacke-2-Probe), steigen die Werte der Hauptkomponente entsprechend den Werten der Schlackenprobe, aber im Fall der Boden-Schlacke-3-Probe, bei der das Gewichtsverhältnis des Bodens größer ist (3 ) kann die Anwesenheit von Kobalt beobachtet werden. Basierend auf diesen RFA-Ergebnissen können wir sagen, dass eine Eliminierung potenziell toxischer Elemente in kontaminierten Böden durch die Anwendung von Schlacke in einem größeren Anteil erfolgt.

Mit Hilfe eines pH-Meters, CONSORT C 533, wurden die wichtigen Parameter von Boden- und Schlackenlösungen gemessen: der pH-Wert, die Leitfähigkeit und der Salzgehalt, wie in Tabelle 3 gezeigt. Die in Tabelle 3 dargestellten Daten legen nahe, dass der beprobte Boden dies getan hat Der pH-Wert = 5,2 entspricht einem mittelsauren Boden, der keine hohe Fruchtbarkeit aufrechterhält und keine geeigneten Bedingungen für den Anbau bietet. Außerdem hat der pH-Wert des Bodens einen wichtigen Einfluss auf die Bodenfruchtbarkeit, verringert die Verfügbarkeit essentieller Elemente und die Aktivität von Bodenmikroorganismen, die einen Kalzium- und Magnesiummangel in Pflanzen verursachen können, und verringert die Verfügbarkeit von Phosphor. Der pH-Wert der Schlackenlösung (12,5) weist einen stark basischen Charakter auf, der sich positiv auf den Verbesserungsprozess saurer Böden auswirkt, und das Vorhandensein dieser Art von Schlacke unterstützt auch die Verbesserung der Bodeneigenschaften. Bei den Boden-Schlacke-Proben steigt der pH-Wert mit zunehmendem Gewichtsverhältnis der Schlacke und die erhaltenen Boden-Schlacke-Mischungen können in die Kategorie der schwach alkalischen Böden eingeordnet werden.

Die in Tabelle 4 angegebenen Daten zeigen, dass die Bodenfeuchtigkeit in Boden-Schlacke-Proben mit zunehmendem Schlackegehalt größer ist und abnimmt. Die Werte der gesamten Boden-Schlacke-Porosität liegen zwischen 40 und 50 % und hängen von der Dichte und der scheinbaren Dichte des Bodens ab, die von der mineralogischen Zusammensetzung, dem Gehalt an organischer Substanz und dem Grad der Verdichtung und Lockerung des Bodens (Kristallin) beeinflusst werden Struktur der Bodenmineralien.

Unter Berücksichtigung der strukturellen und morphologischen Charakterisierung der untersuchten Schlackenproben schlagen wir eine Rezeptur der Hochofenschlacke und der auf Deponien entsorgten Abfallschlacke gemäß der Abfallrichtlinie 2008/98/EG im Hinblick auf das strategische Ziel der EU vor, die Entsorgung vollständig zu eliminieren von Abfällen. Die Schlackendeponie des Stahlwerks Galati verfügt über eine enorme Menge ungenutzter Abfallschlacke, die mit granulierter Hochofenschlacke vermischt werden kann, um die natürlichen Ressourcen zu schonen, die als Rohstoffe im metallurgischen technologischen Prozess verwendet werden.

Das Vorhandensein von Ca2+ in der Zusammensetzung der Schlacke kann in der natürlichen Umgebung eine hohe Alkalität im Boden über einen langen Zeitraum aufrechterhalten. Der alkalische pH-Wert des Bodens kann zu einer Verringerung der verfügbaren Schwermetallkonzentration beitragen, indem er die Metallmobilität verringert und Metalle in stabilere Fraktionen bindet. Eines der Ziele dieser Forschung ist die Verbesserung der Umweltqualität durch die Verwendung einer Mischung aus zwei verschiedenen Schlacken auf landwirtschaftlichen Flächen und deren Wiedereinführung im landwirtschaftlichen Zentrum, insbesondere auf sauren Böden. Saure Böden zeichnen sich durch einen sauren pH-Wert aus, der sich in den letzten Jahren aufgrund übermäßiger Düngung oder viel zu aggressiver Arbeit ausgebreitet hat31. Die Produktion wird maßgeblich beeinflusst, und die Behandlung saurer Böden erfolgt in der Regel mit einer Reihe natürlicher Materialien (Kalk, Dolomit), wobei der Verbrauch ca. beträgt. 20 t/Hektar abhängig vom Säuregehalt des Bodens und der Beschaffenheit der auf den jeweiligen Flächen angebauten Pflanzen.

Unsere Forschung besteht darin, die Eigenschaften und Qualitäten der sauren Böden zu verbessern und dabei zu helfen, sie wieder in den landwirtschaftlichen Kreislauf einzuführen, indem wir einen Abfall in ein neues, umweltfreundliches Material umwandeln, eine Mischung aus Hochofenschlacke und auf Deponien entsorgter Abfallschlacke.

Bei dieser Untersuchung wurden die Schlacken vom größten integrierten Stahlunternehmen von Galati gesammelt. Das Stahlwerk Galati produziert eine breite Palette hochwertiger Flachprodukte (Bleche, Coils, verzinkte Bleche und Coils sowie organisch beschichtete Produkte) sowie geschweißte Rohrprodukte und Zubehör für Kunden in ganz Rumänien, auf dem Balkan und anderswo in Europa.

Die zur Charakterisierung verwendeten Schlackenarten waren granulierte Hochofenschlacke (Probe 1) und auf Deponien entsorgte Abfallschlacke (Probe 2). Die Schlacken hatten eine grobe Größe und wurden in verschiedenen Größenfraktionen im Bereich von 1,25 mm bis 71 μm zerkleinert und gemahlen.

Die granulierte Hochofenschlacke wird durch ein Wasserabschreckverfahren gewonnen, bei dem die Hochofenschlacke im Hochtemperaturbereich von 1250–1650 °C konventionell in kaltem Wasser behandelt wird, wodurch ein nichtkristallines körniges Material entsteht, das je nach Quelle unterschiedlich ist die Qualität des verwendeten Rohstoffs und die Produktionsmethode. Die auf der Deponie des Stahlwerks Galati abgelagerte Abfallschlacke, die für diese Studie verwendet wurde, stellt eine erhebliche Verschmutzungsquelle dar, da sie nicht recycelt wird. Anhand der Ergebnisse der oben aufgeführten Proben erkannten wir die Vorteile jeder Probe und erstellten für die Gewinnung eine neue Rezeptur aus einer Kombination aus 50 % granulierter Hochofenschlacke und 50 % Abfallschlacke, die auf einer Deponie abgelagert wurde (Probe 3). neue Trends zu erkennen und die in enormen Mengen deponierten Schlacken zu recyceln. Die granulierte Hochofenschlacke, die unmittelbar nach dem Abkühlen in Wasser entnommen wurde, wurde unter Zugabe von Wasser mit auf einer Mülldeponie abgelagerter Abfallschlacke vermischt, die zuvor mit einer Mörsermühle zerkleinert wurde, um Probe 3 zu erhalten. Die Kombination der erhaltenen Schlacke (Probe 3) wurde im Boden verwendet -Schlackenmischung zur Korrektur des Säuregehalts des Bodens.

Der Oberboden (0–0,25 m) wurde aus einer Gemeinde im rumänischen Kreis Galati beprobt (für die Bodenprobenahme an diesem Standort waren keine besonderen Genehmigungen erforderlich und das Feld in dieser Studie umfasste keine gefährdeten oder geschützten Arten). Der gesammelte Boden wurde zerkleinert und in verschiedene Größenfraktionen gemahlen. Der Boden und die neue Rezeptur der Kombination der beiden oben erwähnten Schlackenarten (Probe 3) wurden in unterschiedlichen Anteilen kombiniert, um drei Mischungen herzustellen, die in Abb. 1 dargestellt sind, mit einem Gewichtsverhältnis Boden:Schlacke wie 1: 1 (Boden-Schlacke 1), 1: 3 (Boden-Schlacke 2) und 3: 1 (Boden-Schlacke 3). Die Fotobilder von Boden-Schlacke-Proben sind in Abb. 6 dargestellt.

Bilder von Mischungen aus Boden-Schlacke-Proben.

Die FTIR-Spektroskopie ist eine etablierte Technik zur Aufklärung der Struktur glasiger und kristalliner Alumosilikate (Aluminosilikatgläser bzw. Zeolithe). Fourier-Transformations-Infrarotspektren (FTIR) der Schlackenproben wurden mit einem NICOLET IS50 FT-IR SPECTROMETER (THERMO SCIENTIFIC) aufgezeichnet, das mit einem eingebauten ATR-Zubehör, einem DTGS-Detektor und einem KBr-Strahlteiler ausgestattet war. Der Scanbereich wurde auf 4000–400 cm−1 mit einer Auflösung von 4 cm−1 eingestellt und die Anzahl der Scans betrug 32 Mal. Als Referenz für das Hintergrundspektrum diente vor jeder Probe Luft und die ATR-Platte wurde nach jedem Spektrum mit Ethanollösung gereinigt. Um sicherzustellen, dass keine Rückstände der vorherigen Probe zurückgeblieben sind, wurde jedes Mal ein Hintergrundspektrum aufgenommen und mit dem vorherigen Hintergrundspektrum verglichen. Das FT-IR-Spektrometer wurde in eine klimatisierte Kammer mit kontrollierter Temperatur (21 °C) gestellt.

Die Morphologie und Elementzusammensetzung der untersuchten Schlacke wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie gekoppelt mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (REM/EDX) unter Verwendung eines FEI Q 200 MIKROSKOPES IM NIEDRIGVAKUUM untersucht. Vor der Untersuchung wurden die Proben mit einem SPI-Module-Sputterbeschichtungssystem mit einer 4 nm dicken leitenden Schicht aus Au beschichtet.

Röntgenbeugungsspektren (XRD) wurden mit dem DRON 3-GERÄT (BOUREVESTNIK INC., ST. PETERSBURG, RUSSLAND) und einer Kobaltanode (Co, λKa = 1,790300 Å, mit einer Einstellung von: Spannung (U) von 30 kV und aufgezeichnet eine Intensität (I) von 20 mA, mit einem Schritt von 0,05 o/s und einem Bereich zwischen 20 und 65 Grad, einer Belichtungszeit von 3 s und einer Gesamtzeit/Probe von 1 Stunde und 13 Minuten.

Die Bodenschlackenproben wurden mittels Röntgenfluoreszenz (XRF) (INNOV-X-SYSTEMS ALPHA-4000) charakterisiert, um die Haupt- und Spurenelementkonzentrationen im Bodenmaterial mithilfe einer Kalibrierung mit Matrix-angepassten Standards quantitativ zu bestimmen.

Der pH-Wert der Boden- und Schlackenproben wurde mit einem Multiparameter-Analysegerät CONSORT C 533 bestimmt. Der pH-Wert wurde in Lösung mit einem Gewichtsverhältnis Boden/Schlacke:destilliertes Wasser 1:5, 24-stündiger Dekantierung und Filtration gemessen.

Die Feuchtigkeit U der Boden-Schlacke-Proben wurde nach Gleichung berechnet. (1) gemäß Norm SR 648 2002.

Dabei ist m die Masse der zur Bestimmung entnommenen Probe in Gramm, m1 die Masse der Probe, die nach zweistündigem Trocknen bei 105 °C verbleibt, in Gramm.

Die Porosität des Bodens ist das Raumvolumen zwischen den mineralischen Bodenpartikeln. Die Gesamtporosität PT der Boden-Schlacke-Proben wurde nach Gleichung berechnet. (2).

Dabei ist D die Dichte und DA die scheinbare Dichte der zur Bestimmung entnommenen Boden-Schlacke-Proben in einem Messzylinder.

Der pH-Wert des Bodens ist ein sehr wichtiger Parameter, da er eine wichtige Rolle bei der Mobilität von Schwermetallen spielt. Ein saurer pH-Wert geht mit Auflösungsprozessen von Mineralien und hydratisierten Fe-, Mn- und Al-Oxiden einher, an denen Schwermetallionen adsorbiert werden. Der pH-Wert und seine Veränderungen spielen zweifellos eine wichtige Rolle für die Bodenumgebung, da die Schwermetalle für Pflanzen leicht verfügbar werden können. Die landwirtschaftlichen Bodenressourcen sind weltweit ein Problem und durch diese Untersuchung haben wir gezeigt, dass die Mischung aus Hochofenschlacke und Abfallschlacke, die auf Deponien entsorgt wird, zur Beseitigung des Säuregehalts des Bodens beitragen kann. Die erzielten Ergebnisse der neuen Schlackenmischung unterstützen die Verbesserung saurer Böden mit positiven Auswirkungen auf die Eigenschaften und Qualitäten des Bodens. Durch die Verwendung eines Teils des Schlackenabfalls in Kombination mit granulierter Schlacke können zwei aktuelle Probleme gelöst werden: Zum einen die Entsorgung deponierter Schlackenabfälle und zum anderen deren Verwertung im Prozess der Verbesserung saurer Böden. Wenn wir die Kosten-Nutzen-Analyse der zukünftigen Umwelt im Hinblick auf Deponien betrachten, ist die Qualität der menschlichen Gesundheit der Bevölkerung wesentlicher, als dass sie finanziell gemessen werden kann.

Die Ergebnisse dieser Studie und die groß angelegten Umweltaspekte stellen einen erheblichen Zeitbedarf für weitere Studien dar, die in Ökotoxizitätstests von Schlacke-Boden-Mischungen zur Adsorption und Immobilisierung potenziell toxischer Elemente aus dem Boden für eine nachhaltige Landwirtschaft bestehen.

Alle im Rahmen dieser Studie analysierten Daten sind in diesem veröffentlichten Artikel und seinen ergänzenden Informationsdateien enthalten.

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Diese Forschung wurde durch das Projekt „Exzellenz und Beteiligung an intelligenter Entwicklung basierend auf Forschung und Innovation an der Universität „Dunarea de Jos“ Galati – DINAMIC“, ID 536/2021, unterstützt. Die Autoren danken dem Management der Liberty Steel Company of Galati für die Unterstützung gemäß dem unterzeichneten Protokoll für Postdoktorandenstudien.

Interdisziplinäres Forschungszentrum im Bereich Öko-Nanotechnologie und fortschrittliche Materialien CC-ITI, Fakultät für Ingenieurwissenschaften, Universität „Dunarea de Jos“ Galati, 47 Domneasca, 800008, Galati, Rumänien

Viorica Ghisman, Alina Crina Muresan und Daniela Laura Buruiana

Fakultät für Medizin und Pharmazie, Universität „Dunarea de Jos“ Galati, 47 Domneasca, 800008, Galati, Rumänien

Elena Roxana Axente

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Konzeptualisierung: [VG und DLB]; Methodik: [VG und DLB]; Formale Analyse und Untersuchung: [ACM und ERA; Schreiben – Originalentwurfsvorbereitung: [VG und DLB]. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Daniela Laura Buruiana.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Ghisman, V., Muresan, AC, Buruiana, DL et al. Vorteile der Abfallschlacke zur Korrektur des Säuregehalts des Bodens. Sci Rep 12, 16042 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-20528-6

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Eingegangen: 31. Mai 2022

Angenommen: 14. September 2022

Veröffentlicht: 26. September 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-20528-6

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