Οι μοναδικές ιδιότητες των μπεντονιτών στην υπηρεσία της προστασίας του περιβάλλοντος

Οι μοναδικές ιδιότητες των μπεντονιτών στην υπηρεσία της προστασίας του περιβάλλοντος

του Νικόλαου Αθανασάκη, Μηχανικού Ορυκτών Πόρων, MSc Γεωτεχνολογία και Περιβάλλον

Οι μοναδικές ιδιότητες των μπεντονιτών

Οι μπεντονίτες σχηματίζονται κυρίως από εξαλλοίωση όξινων ηφαιστειακών πετρωμάτων και αποτελούνται από ορυκτά της ομάδας του σμεκτίτη, καθώς και από άλλες προσμίξεις. Οι μπεντονίτες διαθέτουν μεγάλη προσροφητική ικανότητα, υψηλή ικανότητα διόγκωσης (απορροφούν περίπου το 75% του όγκου τους σε νερό) , δυνατότητα ιοντοεναλλαγής, υψηλή πλαστικότητα και δυνατότητα να δρουν σαν συνδετικό υλικό.

1. Δομή

Οι σμεκτίτες ανήκουν στα φυλλοπυριτικά ορυκτά, λόγω της φυλλώδους δομής τους, η οποία παρομοιάζεται με «σάντουιτς». Ένας κρύσταλλος σμεκτίτη σχηματίζεται από δύο φύλλα που αποτελούνται από πυρίτιο (Si4+) και οξυγόνο (O2-). Τα στοιχεία αυτά ενώνονται σε τετράεδρα.

Ανάμεσα στα δύο φύλλα παρεμβάλλεται ένα φύλλο από αργίλιο (Al3+) και ιόντα υδροξειλίου (ΟΗ-) τα οποία ενώνονται σε μορφή οκταέδρων (Σχήμα 1). Οι κρύσταλλοι σμεκτίτη έχουν πάχος μόλις ένα νανόμετρο (nm) και στοιβάζονται μεταξύ τους μέσω χαλαρών ελκτικών δυνάμεων (Van der Waals) για όσο το επιτρέψουν οι γεωλογικές/χημικές συνθήκες, σχηματίζοντας μεγαλύτερους κόκκους (συσσωματώματα).

Σχήμα 1: Η δομή του σμεκτίτη

2. Ηλεκτρικό φορτίο και ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων

Οι σμεκτίτες είναι μόνιμα αρνητικά φορτισμένοι λόγω μερικής αντικατάστασης του πυριτίου και του αργιλίου στα φύλλα από άλλα μεταλλικά ιόντα μικρότερου σθένους. Συνήθως, το ιόν πυριτίου (Si4+) αντικαθίσταται από ένα ιόν αργιλίου (Al3+), ενώ το ιόν (Al3+) αντικαθίσταται από άλλα κατιόντα (λ.χ. Mg2+, Fe2+, Li+). Το αρνητικό φορτίο εξουδετερώνεται με την είσοδο μεταλλικών κατιόντων (π.χ. Na+, Ca2+, Mg2+) και άλλων μορίων στο χώρο ανάμεσα στους κρυστάλλους (ενδοστρωματικός χώρος). Αυτά τα κατιόντα μπορούν να εναλλάσσονται είτε φυσικά ή τεχνητά. Η ιδιότητα αυτή είναι από τις χαρακτηριστικές των μπεντονιτών και είναι γνωστή ως «ιοντοεναλλακτική ικανότητα» (Σχήμα 2).

Σχήμα 2: Σχηματική αναπαράσταση της ιοντοεναλλαγής όπου το ιόν του μαγνησίου (Mg) αντικαθιστά το ιόν του ασβεστίου (Ca) στην επιφάνεια του αρνητικά φορτισμένου κρυστάλλου, το οποίο τελικά απελευθερώνεται στο διάλυμα

3. Ικανότητα διόγκωσης σε επαφή με το νερό

Σε επαφή με το νερό οι μπεντονίτες διογκώνονται, κλείνοντας τους πόρους και τα κενά μεταξύ των κόκκων. Το νερό εισέρχεται στον ενδοστρωματικό χώρο, απομακρύνοντας τους κρυστάλλους μεταξύ τους, με αποτέλεσμα τη διόγκωση των σωματιδίων και το σφράγισμα των κενών μεταξύ τους (Σχήμα 3). Αν η ενυδάτωση συνοδευτεί και με συμπύκνωση (εφαρμογή κρούσης για να γίνει το υλικό συμπαγές), η στεγανοποίηση του μπεντονίτη είναι ακόμη πιο αποτελεσματική σε βάθος χρόνου. Η ικανότητα διόγκωσης σχετίζεται άμεσα με το ανταλλάξιμο κατιόν του ενδοστρωματικού χώρου. Οι μπεντονίτες που φέρουν κατιόντα όπως αυτά του νατρίου (Na+) και του λιθίου (Li+) διογκώνονται πιο αποτελεσματικά.

Σχήμα 3: Σχηματική αναπαράσταση της διόγκωσης του σμεκτίτη

Χρήση του μπεντονίτη σε Χώρους Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (Χ.Υ.Τ.Α.)

Η διαχείριση των απορριμμάτων στην εποχή μας είναι μια διαρκής πρόκληση. Οι Χώροι Υγειονομικής Ταφής Απορριμμάτων (Χ.Υ.Τ.Α) είναι το σύνολο των εγκαταστάσεων και των φυσικών μέσων που διαμορφώνονται και εξοπλίζονται με τέτοιο τρόπο ώστε να επιτυγχάνεται η διαχείριση των απορριμμάτων υπό τις αυστηρές προδιαγραφές που ορίζει η υγειονομική ταφή δηλαδή την «εξασφάλιση της προστασίας των υπόγειων, επιφανειακών υδάτων και του υπεδάφους από υγρά, στραγγίσματα και βιοαέρια που προκύπτουν από την ταφή και προκαλούν οσμές, κίνδυνο αυτανάφλεξης και επιβάρυνση του περιβάλλοντος καθώς και την προστασία της ατμόσφαιρας από οσμές, μικρόβια ή μικροοργανισμούς και αιωρούμενα σωματίδια». Συνεπώς, η ταφή των απορριμμάτων πραγματοποιείται βάσει προδιαγραφών ανάλογης αυστηρότητας με την τοξικότητά τους. 

Τα απορρίμματα που μπορούν να γίνουν δεκτά σε ένα Χ.Υ.Τ.Α. είναι αστικά απόβλητα, μη επικίνδυνα οικιακά απορρίμματα και παρεμφερή τα οποία πληρούν τα σχετικά κριτήρια υποδοχής, σταθερά μη ενεργά απόβλητα και σταθεροποιημένες και αφυδατωμένες ιλύες από μονάδες επεξεργασίας λυμάτων. Στις εγκαταστάσεις ΧΥΤΑ δεν γίνονται δεκτά υγρά απόβλητα, επικίνδυνα απόβλητα, απόβλητα εκρηκτικά, διαβρωτικά, οξειδωτικά, πολύ εύφλεκτα ή εύφλεκτα, απόβλητα νοσοκομείων (μολυσματικά), και άλλες κατηγορίες αποβλήτων που εμπίπτουν σε ειδική διαχείριση.

Οι Χ.Υ.Τ.Α. σχεδιάζονται με ειδικές προδιαγραφές με στόχο την απομόνωση των στερεών αποβλήτων από το υπέδαφος και την ατμόσφαιρα, προστατεύοντας έτσι το περιβάλλον και τον άνθρωπο. Η απομόνωση επιτυγχάνεται ταυτόχρονα με τη μείωση της διαπερατότητας των τοιχωμάτων (στεγανοποίηση) του χώρου ταφής και με τη δέσμευση των παραγόμενων χημικών ουσιών. Για τα οικιακά απόβλητα, ο χρόνος ζωής ενός Χ.Υ.Τ.Α. αναμένεται γύρω στα 100 χρόνια. Τα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν θα πρέπει να πληρούν τα παραπάνω κριτήρια, ενώ θα πρέπει να είναι οικονομικά, να μην αντιδρούν σε επαφή με τα απόβλητα και να είναι φιλικά προς το περιβάλλον.

Τα αργιλικά ορυκτά και κυρίως οι μπεντονίτες πληρούν όλα τα παραπάνω κριτήρια και για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται στη φυσική τους μορφή ή επεξεργασμένοι, ως υλικά επένδυσης των Χ.Υ.Τ.Α. Τα απόβλητα αποθηκεύονται σε κελιά, τα οποία περιβάλλονται από μία υδατοστεγή επένδυση με βάση το μπεντονίτη ή/και άλλα ορυκτά και υλικά (Σχήμα 4).

Σχήμα 4: Αναπαράσταση ενός Χ.Υ.Τ.Α.

Οι επενδύσεις ενός Χ.Υ.Τ.Α μπορούν να περιλαμβάνουν τα εξής μέρη (Σχήμα 5):

  • Φράγματα / τοιχία απομόνωσης: Κατασκευές απομόνωσης Χ.Υ.Τ.Α. με βάση το τσιμέντο και το μπεντονίτη. Ο μπεντονίτης συμβάλει στη μόνωση και στην αποτελεσματικότερη χύτευση του μίγματος.
  • Αργιλικοί τάπητες: Υδατοστεγή στρώματα από συμπυκνωμένο μπεντονίτη ή/και εδαφικό υλικό.
  • Συνθετικές γεωμεμβράνες: Λεπτές μεμβράνες από πολυμερές υλικό (συνήθως πολυαιθυλένιο), οι οποίες έχουν χαμηλή αντοχή και χρησιμοποιούνται επικουρικά.
  • Γεωσυνθετικές μεμβράνες και γεωυφάσματα με μπεντονίτη: Είναι σύνθετα υλικά, τα οποία αποτελούνται από δύο στρώματα πολυμερούς υλικού που εσωκλείουν ένα στρώμα μπεντονίτη.
Σχήμα 5: Γεωσυνθετική μεμβράνη με μπεντονίτη (1), συνθετική γεωμεμβράνη (2), κατασκευή αργιλικού τάπητα (3), σχηματική αναπαράσταση κατασκευής τοίχων αποκοπής (4)

Επίσης, σε κάθε Χ.Υ.Τ.Α κατασκευάζεται επικάλυψη, η οποία είναι βασική για την απομόνωση των αποβλήτων από τον άνεμο και τη βροχή. Πολλές φορές η επικάλυψη συνοδεύεται από βλάστηση, η οποία έχει υποστηρικτικό ρόλο, ενώ δεσμεύει τα τοξικά προϊόντα από τη διάσπαση των αποβλήτων. Βασική προϋπόθεση θεωρείται η απόσταση από τον υδροφόρο ορίζοντα, η οποία δε θα πρέπει να είναι μικρότερη των 6 μέτρων.

Η Ε.Ε. έχει προτείνει τεχνικές προδιαγραφές σχετικά με τα υλικά και το πάχος τους, τα οποία είναι αποδεκτά για την ασφαλή αποθήκευση των οικιακών απορριμμάτων σε Χ.Υ.Τ.Α. Πολλές ευρωπαϊκές χώρες έχουν τροποποιήσει αυτές τις προδιαγραφές ανάλογα με τις ανάγκες τους (Σχήμα 6).

Σχήμα 6: Προδιαγραφές τάπητα Χ.Υ.Τ.Α σε διάφορες ευρωπαϊκές χώρες. Περιλαμβάνεται και η πρόταση της Ε.Ε.

Χρήση του μπεντονίτη σε χώρους αποθήκευσης ραδιενεργών αποβλήτων

Τα ραδιενεργά απόβλητα κατατάσσονται σε υψηλού και χαμηλού βαθμού ραδιενέργειας. Στην πρώτη κατηγορία ανήκει το εξοφλημένο πυρηνικό καύσιμο που χρησιμοποιεί ο πυρηνικός αντιδραστήρας, το οποίο αποτελείται από ουράνιο (U235) και τα ισότοπα στα οποία έχει διασπαστεί. Στη δεύτερη κατηγορία ανήκουν τμήματα του πυρηνικού αντιδραστήρα, καθώς και διάφορα αναλώσιμα υλικά.

Κατά την πυρηνική σχάση του U235 παράγονται ιονίζουσες ακτινοβολίες (ακτινοβολία γ) και άλλα ραδιενεργά ισότοπα, τα οποία αντικαθιστούν χρήσιμα μεταλλικά ιόντα του ανθρώπινου οργανισμού. Χαρακτηριστικό παράδειγμα αποτελεί η αντικατάσταση του νατρίου (Na) στο αίμα από το ισότοπο 137 του καισίου (Cs137). Τα ραδιενεργά στοιχεία συνεχίζουν να είναι επιβλαβή πολλές εκατοντάδες ή χιλιάδες χρόνια μετά την αποθήκευσή τους. Συνεπώς, οι χώροι αποθήκευσης των αποβλήτων αυτών πρέπει να πληρούν αυστηρές προδιαγραφές σχετικά με τη στεγανότητά τους και το χρόνο ζωής τους, ο οποίος προσεγγίζει τα 1000 έτη.

Οι χώροι αποθήκευσης ραδιενεργών αποβλήτων βρίσκονται περίπου στα 1200 μέτρα υπογείως. Τα δοχεία με τα ραδιενεργά απόβλητα τοποθετούνται ανά συγκεκριμένες αποστάσεις και ο κενός χώρος ανάμεσά τους επενδύεται με συμπυκνωμένο μπεντονίτη για μέγιστη στεγανότητα. Ο θάλαμος αποθήκευσης είναι επενδυμένος με προκατασκευασμένα τμήματα μπεντονίτη. Αυτές οι κατασκευές προστατεύονται από την υγρασία μέχρι την τελική τοποθέτησή τους. Το πρώτο τμήμα που τοποθετείται στο θάλαμο είναι η βάση, επάνω στην οποία τοποθετούνται τα δοχεία. Τα υπόλοιπα δομικά στοιχεία από μπεντονίτη τοποθετούνται με τη σειρά τους και ο εναπομείναντας ανοιχτός χώρος πληρούται με ξηρό μπεντονίτη σε μορφή πούδρας. Ο θάλαμος και το τούνελ που οδηγεί σε αυτόν μονώνονται με ακτινοπροστατευτικό τσιμέντο.

Σχήμα 7: Αναπαράσταση χώρου αποθήκευσης ραδιενεργών αποβλήτων (αριστερά), εσωτερικό θαλάμου αποθήκευσης ραδιενεργών αποβλήτων (δεξιά).

Ο μπεντονίτης συμβάλλει στη δομική ακεραιότητα του θαλάμου αποθήκευσης, προστατεύοντας την κατασκευή από κατάρρευση, ενώ διατηρεί τα δοχεία στις προκαθορισμένες θέσεις τους. Μία μερική παραμόρφωση των τμημάτων μπεντονίτη είναι επιθυμητή, ώστε να απορροφώνται οι μηχανικές τάσεις από τα γύρω πετρώματα, χωρίς αυτές να μεταφέρονται στα δοχεία. Επίσης, ο μπεντονίτης ελαχιστοποιεί τη διαπερατότητα του θαλάμου, λόγω της υψηλής του συμπύκνωσης και της ικανότητας διόγκωσής του όταν έρθει σε επαφή με το νερό, ακριβώς όπως ένα σφουγγάρι.

Κατά το σχεδιασμό ενός τέτοιου έργου λαμβάνονται υπόψη το βάθος του θαλάμου (όσο μεγαλύτερο το βάθος τόσο περισσότερο καταπονείται το υλικό), καθώς και οι υψηλές θερμοκρασίες με τις οποίες έρχεται σε επαφή η άργιλος, λόγω του βάθους (γεωθερμική βαθμίδα) αλλά και λόγω της σχάσης των ραδιενεργών αποβλήτων. Με αυτόν τον τρόπο δεσμεύονται τα προϊόντα διάσπασης των αποβλήτων και τα ραδιενεργά ισότοπα για μεγάλα διαστήματα, εμποδίζοντας την απελευθέρωσή τους στο περιβάλλον. Σε μικρότερο βαθμό, η δέσμευση των επικίνδυνων χημικών ουσιών μπορεί να εξελιχθεί στην εξωτερική επιφάνεια των κρυστάλλων του σμεκτίτη, στην οποία υπάρχουν χημικά ενεργές θέσεις.

Λόγω των ακραίων συνθηκών, ο μπεντονίτης χάνει μερικώς και σταδιακά την ικανότητα ανταλλαγής κατιόντων και τις διογκωτικές του ιδιότητες. Πρέπει να σημειωθεί ότι παρά τις αυστηρές προδιαγραφές και τη σωστή εκτέλεση εργασιών, ο πλήρης περιορισμός των αποβλήτων σε βάθος χρόνου είναι αδύνατος. Αυτό που εξασφαλίζεται είναι χαμηλός βαθμός ραδιενέργειας των αποβλήτων, όταν διαπεράσουν την αργιλική επένδυση, μέσω ανταλλαγής κατιόντων με τον μπεντονίτη, ο οποίος θα είναι παρόμοιος με αυτόν ενός φυσικού κοιτάσματος ουρανίου.

Λίγα λόγια για τον συγγραφέα: Ο Νικόλαος Αθανασάκης γεννήθηκε στις 16/04/1996 στα Χανιά. Το 2019 αποφοίτησε από τη σχολή Μηχανικών Ορυκτών Πόρων του Πολυτεχνείου Κρήτης με άριστα και τον Ιούνιο του 2022 ολοκλήρωσε τις μεταπτυχιακές σπουδές του στο μεταπτυχιακό πρόγραμμα «Γεωτεχνολογία και Περιβάλλον» της ίδιας σχολής. Κατά τη διάρκεια των σπουδών του έχει λάβει υποτροφίες από το ΙΚΥ και το Παγκρήτιο Κληροδότημα. Έχει ερευνητική εμπειρία πάνω στα Βιομηχανικά Ορυκτά & Πετρώματα και κυρίως στα αργιλικά ορυκτά. Έχει εργαστεί ως τεχνικός ασφαλείας και επιβλέπων μηχανικός στην εταιρεία εξόρυξης μαρμάρων F.H.L. ΚΥΡΙΑΚΙΔΗΣ – ΜΑΡΜΑΡΑ ΓΡΑΝΙΤΕΣ ΑΒΕΕ. Είναι συνιδρύτης και συντονιστής της φοιτητικής ομάδας Sustainable Resources Engineering Society (S.R.E.S).

Image