Hooggradiëntmagneet

Meer wetenschapsnieuws van de TU Delft Colofon DI-Archief

Hooggradiëntmagneet

DOOR ARNO SCHRAUWERS Ooit was

bodemverontreiniging

de ‘ schrik ’ van

Nederland, waar nog tot in lengte van jaren miljarden voor zouden moeten worden uitgetrokken om de Nederlandse bodem weer een beetje netjes te krijgen.

Geochemicus drs. Ruud Rikers zette zich vijf jaar geleden aan een oplossing voor het nijpende vraagstuk van de zware metalen in de bodem. Met een zogeheten hooggradiëntmagneet bleken deze verontreinigingen uitstekend te verwijderen, maar inmiddels is de overheid wat minder secuur geworden en heeft ze de

Na het afgraven van vervuilde grond wordt geotextiel op de ondergrond aangebracht. (Foto: ANP)

Ruimtelijk beeld van het zware metalengehalte in de bovengrond. De kaarten zijn gebaseerd op 2544 waarnemingen.

saneringsdoelen aanzienlijk versoepeld vanwege een nieuwe economische realiteit. De oplossing is er - alleen aan het probleem wordt niet meer zo zwaar getild, lijkt het.

Vijf jaar geleden zag het milieulandschap er in Nederland nog heel anders uit dan nu. Bodemverontreiniging was toen, ruim tien jaar na de ontdekking van ‘Lekkerkerk’, nog een belangrijk thema. En om die vele duizenden verontreinigde plaatsen in Nederland weer schoon te krijgen, zouden vele miljarden guldens nodig zijn. Er waren (deels uitgevoerde) plannen voor bodemreinigingsfabrieken, waarbij vooral het probleem van de zware metalen de Nederlandse milieu-autoriteiten zwaar op de maag lag. Ruud Rikers, die aan de Rijksuniversiteit Utrecht afstudeerde als milieugeochemicus, begon in 1994 aan de oplossing van dat

probleem. Zijn promotie-onderzoek werd uitgevoerd bij prof.ir. W. Dalmijn van de Delftse subfaculteit Technische Aardwetenschappen en het zou worden betaald door de stichting Service Centrum

Grondreiniging (SCG) in Utrecht plus de Nederlandse Vereniging van Professionele Grondreinigers (NVPG).

Rikers: ‘Dat ging de eerste zes maanden aardig, maar daarna bleek toch dat de verschillen in de doelstellingen van beide geldschieters te groot was. De NVPG trok zich terug en uiteindelijk heeft het SCG en later het ministerie van vrom het onderzoek betaald.’

Het onderzoek wilde het in eerste instantie nog niet erg vlotten, omdat eigenlijk niet goed bekend was waarom de reinigingsmethode niet goed werkte.

Het was vooral «spitten» naar verbanden tussen verontreinigingen en bodembestanddelen. Toch diende zich al snel een oplossing aan door middel van magneetscheiding.

Met een ramguts kunnen op betrekkelijk eenvoudige wijze bodemmonsters worden

genomen tot zo’n zes meter diepte, afhankelijk van het bodemtype.

‘Er zijn diverse fysische scheidingsmethoden, waarbij gebruik wordt gemaakt van bepaalde stofeigenschappen zoals korrelgrootte, dichtheid of magnetisme’, legt Rikers uit. ‘De meeste scheidingsmethoden werken op een combinatie van eigenschappen, maar magneetscheiders alleen op magnetisme.’

Al eerder was gebleken dat met een magneetscheider veel ongerief uit de bodem is te halen - zelfs organisch materiaal - maar het was niet duidelijk waarom dat zo was. Het gaat hier dan niet over zómaar een magneetscheider, maar over een scheider met een heel specifieke werking, een zogeheten hooggradiëntmagneet. Sedert de jaren ‘60 wordt er gebruik gemaakt van hooggradiëntmagneetscheiders voor de metaalertswinning en bij Mijnbouw in Delft beschikten ze over de Frantz-magneetscheider die volgens dit principe werkt. Ook was bekend dat er een vrij innig verband bestaat tussen ijzer en zware metalen in de bodem.

Rikers: ‘Er waren al eerder pogingen gedaan om met een Frantz-hooggradiëntmagneetscheider zware metalen uit de bodem te halen, maar dit gaf slechts magere resultaten. Dat heeft te maken met de herkomst van de verontreiniging, want verschillende productieprocessen genereren verschillende soorten bodemverontreinigingen. Ik vermoedde echter dat het scheiden wel degelijk mogelijk was. Koper, zink, lood, chroom, uranium maar ook cyanide; je trekt het zó uit de bodemmatrix. Van nikkel-, chroom- en uraniummineralen is dat te verklaren, omdat veel mineralen die deze elementen bevatten, paramagnetisch zijn. Voor koper, zink en lood is dat veel lastiger, aangezien die metalen niet de juiste magnetische eigenschappen hebben. Dat biedt voor deze techniek echter wel brede toepassingsmogelijkheden.’

Meeliften

Rikers ontdekte tijdens zijn onderzoek dan ook dat deze metalen - ook als het organische stoffen waren - niet uit de verontreinigde grond worden getrokken door de magneet. Die stoffen liften mee ‘op de rug’ van ijzer (of eigenlijk roest): het, wat Rikers noemt, ijzereffect.

‘Wereldwijd worden jaarlijks miljoenen tonnen metalen geproduceerd, ijzer het meeste. Voor een jaar als 1996 gaat het alleen al om zo’n 800 miljoen ton ijzer. De verhouding tussen ijzer en zware metalen is

grofweg 1 : 100 - die verhouding vind je ook in de bodem terug. Er

Ramguts met een grondmonster van een halve meter onder het maaiveld.

zitten van nature al veel ijzermineralen in de bodem, maar er komt ook veel ijzer in terecht, in de vorm van amorf ijzeroxide. Er zijn

aanwijzingen dat zo’n 30 procent van het primair geproduceerde ijzer ‘zoek raakt’. Hoe dat gebeurd, is nog niet exact bekend. Er worden wel studies naar gedaan, ondermeer door het RIVM. We leven als het ware constant in een ijzerwolk! IJzer roest in de bodem en dat is chemisch zeer actief. Dat hapt als het ware in de bodem alles in zijn buurt op, het zogeheten scavenging, dat zoiets betekent als aaseten. Dat wisten geochemici veertig jaar geleden al.

‘Roest vormt complexe verbindingen in de bodem. Die deeltjes kunnen een ijzeroxidelaag vormen. Dat gebeurt niet altijd. Vaak kun je in zandafzettingen zien waar water door de bodem sijpelt door ijzeroxidestrepen, een soort haarvaten.’ Zo’n laag bestaat dan uit

roestdeeltjes die zich hechten aan kwartsdeeltjes (= zand) en organisch materiaal. Die deeltjes zijn paramagnetisch, wat zoveel betekent als dat ze magnetische eigenschappen krijgen onder invloed van een

magneetveld. Ze kunnen er met de hooggradiëntmagneet uit worden gehaald.

De «Frantz» is maar een klein systeem op laboratoriumschaal. Om te toetsen of de scheidingsmethode ook op grote schaal succesvol is uit te voeren, werd de Jones-magneetscheider gebruikt.

Deze in de erstwinning bekende magneetscheider werkt volgens een wat afwijkend principe als de Frantz-scheider: bij de «Frantz» wordt de zwaartekracht mede benut voor de scheiding, bij de «Jones» de

wrijving. Dat bleek vrij goed te werken.

Rikers: ‘Met beide scheidingsmethodes waren bodems te reinigen volgens de normen van SCG die voorheen in de

bodemreinigingsfabrieken niet waren te halen. De bodemreinigers zagen er wel wat in en wilden de methode octrooieren. Dat is

uiteindelijk niet doorgegaan, omdat ik dan niet had kunnen promoveren.’ Theoretisch lijkt het mogelijk via de verdeling van de metalen die uit de bodem worden gehaald (het magnetisch profiel, een soort

«vingerafdruk») te bepalen wanneer een vervuiling is ontstaan.

Glazuur

Naast de behandeling van monsters uit reinigingsfabrieken is er ook op

Macrocopische opname van houten bodemdeeltjes waarop ijzerdeeltjes zijn neergeslagen. De deeltjes werden gescheiden met een

hooggradiëntmagneetscheider.De ondergrond bestaat uit millimeterpapier.

Verzameling van verschillende bodemdeeltjes, waaraan ijzer en zware metalen zijn gebonden, zoals gevonden in een bodem in Rotterdam.

a) Tin en loodrijk deeltje met een coating van ijzer. b) Kwartsdeeltjes met een coating van ijzer.

locatie gewerkt met deze methode. Bij de Scheepsmakersdijk in

Haarlem werden bodemmonsters genomen. Daar zat een hoop ongerief in de grond, onder (veel) meer lood van oudere bebouwing - van het glazuur op de dakpannen - en van loodmenie van de scheepswerven die daar gehuisvest waren.

‘Daar hebben we de Frantz-magneetscheider op losgelaten’, vertelt de geochemicus. ‘De belangrijkste bevinding was dat hoe dieper je komt hoe meer stroom er moet worden gebruikt om het ijzer en dus de

zware metalen uit de grond te halen. Hoe dieper we kwamen, hoe fijner het ijzer verspreid bleek en hoe meer de roestvorming toenam. Ook de wisselende grondwaterstanden spelen hierbij een rol. Vergeet niet dat we het hebben overige ernstige verontreinigingen, ook al praten we in feite over niveaus van duizendste promillen. Dat bleek echter te werken.’ Het zag er veelbelovend uit, maar toen kwam de klap bij het onderzoek. De milieu-autoriteiten vonden het niet langer nodig dat de

verontreinigde grond te allen tijde weer voor alle doeleinden geschikt hoefde te zijn (het zogeheten multi-functionaliteitsprincipe) en de

saneringseisen werden aanzienlijk bijgesteld. ‘Het milieu is een beetje in het rommelhok terechtgekomen. Het is om economische redenen

minder belangrijk geworden’, constateert de Delftse promovendus met enige spijt.

Zou het helpen als zijn reinigingsmethode ook ter plaatse zou kunnen worden toegepast? Om een verontreinigde bodem te ontdoen van zware metalen, moet die nu nog worden afgegraven waarna de verontreinigde grond naar de reinigingsinstallatie wordt gebracht (en schoon weer terug, uiteraard).

Rikers: ‘Het probleem met de in-situ-reiniging is dat de bodem aan heel strenge criteria moet voldoen voor doorlaatbaarheid, de soort vervuiling en nog wat zaken zoals vluchtigheid, biologische afbreekbaarheid, viscositeit en oplosbaarheid, voordat de methode werkt. Ik heb er wel ideeën over. Je zou bijvoorbeeld de hele boel onder water kunnen zetten, met damwanden er om heen. Zo maak je met een

opstroomtechniek een soort drijfzand. Je kunt gleuven graven dwars op de stromingsrichting van het grondwater om de vervuiling binnen een bepaald gebied te houden. In Canada wordt op dit moment een aantal casussen onderzocht.’

Macrocopische opname van een fragment van een dakpan uit de periode tussen 1500 en 1700 ad, gevonden bij de Scheepmakersdijk in Haarlem. Het deeltje bevat extreem veel lood, afkomstig van het, in die periode, gebruikelijke glazuur.

Zou er op dit gebied misschien emplooi voor deze methode in Duitsland zijn? Men is daar in het algemeen toch wat rechter in de milieuleer dan bij ons. Volgens Rikers is de situatie voor zijn methode in Nederland op dit moment om economische gronden minder gewenst en dat zal in ons buurland niet beter zijn, vermoedt hij. Rikers: ‘In Duitsland leven al sinds jaar en dag in goede gezondheid mensen op bodems die soms zo’n 4% zware metalen bevatten. Dus de Duitsers beschouwen het niet zo als een probleem.’

Grondwater

Is er dan eigenlijk wel een probleem? De roest blijkt de zware metalen aan zich te binden en daarmee het grootste gevaar voor verdere verspreiding toch tegen te gaan?

‘Het gevaar is dat door die steeds aanwezige metaalwolk waarin we leven de gehalten aan zware metalen in het milieu en de bodem steeds verder zullen oplopen’, zegt de promovendus. ‘Het ijzer in de bodem beweegt niet zo snel. Dat is gunstig voor het milieu, maar tegelijkertijd komt er heel veel ijzer met zware metalen bij. De processen verlopen vrij snel, zeker voor geologische begrippen. Denk aan zo’n vijfentwintig tot vijftig jaar. Een ander probleem ontstaat wanneer ijzer neerslaat in lagen. Dan krijg je infiltratieproblemen, waardoor de

grondwatercirculatie ernstig wordt verstoord.’

Of deze effecten een reëel risico vormen voor de mens, durft Rikers niet te zeggen. Maar dat ze goed zijn voor de mens en een gezonde (grond) waterhuishouding lijkt hem toch een zeer twijfelachtige conclusie. Tegenwoordig liggen de prioriteiten echter kennelijk anders. Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met Drs. Ruud Rikers, e-mail rikers@casema. net , of met Prof. W.L. Amerikaanse Frantz-hooggradiënt-magneetscheider waarmee paramagnetische deeltjes met grote accuratesse kunnen worden gescheiden.

Paramagnetische deeltjes zijn deeltjes die alleen magnetisch zijn wanneer ze zich in een

inhomogeen magneetveld bevinden.

Close-up van de

Dalmijn, tel.(015) 278 6043, fax (015) 278 2836, e-mail w.l. dalmijn@ta. tudelft.nl

Schematische weergave van de werking van hooggradiëntmagneetscheiders. Links het Barrier-type, waarbij de paramagnetische deeltjes tegen een magneetbarrière aanlopen. Hierdoor blijven de deeltjes tussen de magneetpolen en kunnen

worden gescheiden. Niet-paramagnetische deeltjes worden niet gehinderd door de barrière. Rechts het isodynamische type, waarbij paramagnetische deeltjes tegen de zwaartekracht in bewegen.

Sterkteverloop van het magneetveld in de Frantz-magneetscheider. De werking berust op het feit dat het magneetveld over slechts zeer korte afstand (enkele millimeters) zeer sterk varieert, waardoor de paramagnetische deeltjes worden tegenhouden. De Frantz is bij uitstek een laboratorium-instrument.

Jones-magneetscheider type P40. Deze

hooggradiëntmagneet werkt, in tegenstelling tot de Frantz, met slurries. Daardoor is deze scheider erg geschikt voor het scheiden van grote hoeveelheden verontreinigde grond. Het apparaat kan mengsels aan met een drogestofgehalte van 30%.

Mobiele bodemreinigingsinstallatie voor in-situ grondreiniging.

Principe van de Jones-scheider. 1 Frame

2 IJzeren juk

3 Wikkelingen van elektromagneet 4 Aandrijfas

6 Rotor

7 Scheidingsplaten 8 Slurry-aanvoer 9 Bodemplaat

10 Afvoer magnetische fractie 11 Afvoer gereinigd zand

12 Afvoer slecht-magnetische fractie

De Jones-scheider werkt met geribbelde platen. Door de platen ontstaat een inhomogeen

magneetveld, zodat paramagnetische deeltjes kunnen worden gescheiden.