Έκπλυση τέφρας δασικών υλών παρουσία χημικών επιβραδυντών - Περιβαλλοντικές επιπτώσεις δασικών πυρκαγιών

Abstract

Heavy metal content of high load ashes applied on the ground during severe forest fires may be released into rainwater, and through it, they can either penetrate into the ground water or be washed out into water receivers, causing a severe environmental problem. In the present work, the chemical, mineralogical and leaching behavior of forest species ashes is studied, before and after treating forest species with fire retardants. For the analysis of leachates, the following analytical techniques were used: ion chromatography, inductively coupled plasma emission spectrometry and atomic absorption spectroscopy. For the analysis of ashes, X-ray diffraction, scanning electron microscopy, thermal analysis and Fourier transform infrared spectroscopy were used. In the first part, the chemical composition of two forest species (Pinus halepensis, Quercus coccifera) ashes was determined before and after leaching. Two leaching tests were employed using aqueous solutions of pH=6 and 1. At pH=6 some elements were released, whereas at pH=1 significant amounts of toxic elements were recovered. In the second part, the leaching properties of three forest species ashes (P. halepensis, Pistacia lentiscus, and Olea europaea), before and after treating forest species with DAP, have been studied. The presence of DAP obstructs the extraction process of some metal ions contained in ashes by converting the soluble carbonate salts to the less soluble phosphates. On the contrary, DAP enhances the mobility of some other metals by forming more soluble compounds. In addition, the presence of DAP lowers the pH of leachates, causing dissolution of some toxic elements. Unexpectedly, DAP prevents the leachability of Cr. In the third part, the leaching properties of P. halepensis ashes, before and after treating forest species with commercial fire retardants (Fire-Trol 931 and 934, and Phos-Chek D75). The use of the above retardants causes acidic conditions and under these acidic conditions, a severe amount of toxic quantities are extracted causing environmental problems. In the fourth part, the leaching properties of P. halepensis ashes, before and after treating forest species with huntite and hydromagnesite, using aqueous solutions of pH=6. Comparing the above data with those obtained from pine ash samples treated with commercial retardants, we found that the use of huntite and hydromagnesite obstructs the release of the toxic elements, due the alkaline media set by their decomposition. Finally, in the fifth part, the chemical, mineralogical and leaching behavior of actual forest fire ash is studied. The “real” ash had similar composition with the ash samples prepared in the laboratory with the presence of retardant DAP. The use of chemical retardants on forest fires may introduce severe quantities of some toxic elements to the ecosystem. The introduction of new fire retardants based on magnesium carbonate minerals could minimize the environmental problems.

Τα υψηλά φορτία τέφρας που εναποτίθενται στο έδαφος κατά τη διάρκεια μεγάλων δασικών πυρκαγιών, περιέχουν βαρέα μέταλλα τα οποία μπορούν να απελευθερωθούν με το νερό της βροχής και μέσω αυτού να διεισδύσουν στα υπόγεια νερά και τους υδάτινους δέκτες, προκαλώντας σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα. Στην παρούσα διατριβή ερευνάται η χημική και ορυκτολογική σύσταση της τέφρας δασικών ειδών, πριν και μετά την έκπλυση της με όξινα υδατικά διαλύματα. Στα είδη που μελετήθηκαν είχαν εφαρμοστεί (ή όχι) χημικοί επιβραδυντές. Για τις αναλύσεις των εκλουσμάτων χρησιμοποιήθηκε φασματοσκοπία εκπομπής πλάσματος, ιοντική χρωματογραφία, ατομική απορρόφηση, ενώ η ανάλυση των τεφρών πραγματοποιήθηκε με περίθλαση ακτίνων Χ, ηλεκτρονιακή μικροσκοπία, θερμική ανάλυση και φασματομετρία υπερύθρου. Στο πρώτο πειραματικό κύκλο εργασιών, διερευνήθηκε η χημική και μορφολογική σύσταση των τεφρών δύο δασικών ειδών (Pinus halepensis, Quercus coccifera), πριν και μετά την έκπλυση τους. Εφαρμόστηκαν δύο δοκιμασίες έκπλυσης με υδατικά διαλύματα, pH=6 και pH=1. Στο pH=6 κάποια μεταλλικά στοιχεία απελευθερώθηκαν, ενώ σε pH=1, διαλυτοποιήθηκαν σημαντικές ποσότητες τοξικών στοιχείων. Στη συνέχεια, στο δεύτερο μέρος, μελετήθηκαν οι ιδιότητες έκπλυσης τέφρας P. halepensis, Pistacia lentiscus και Olea europaea, πριν και μετά την επεξεργασία των δασικών ειδών με DAP. Η παρουσία του DAP παρεμποδίζει την έκλουση κάποιων μεταλλικών ιόντων, μετατρέποντας τα διαλυτά ανθρακικά άλατα στα λιγότερο διαλυτά φωσφορικά άλατα. Αντίθετα, το DAP διευκολύνει την διαλυτοποίηση κάποιων άλλων μετάλλων σχηματίζοντας ευδιάλυτες ενώσεις. Επιπλέον, η παρουσία του DAP ελαττώνει το pH των εκλουσμάτων προκαλώντας τη διαλυτοποίηση κάποιων τοξικών στοιχείων. Μη αναμενόμενη ήταν η παρατηρούμενη μείωση της εκλυόμενης ποσότητας Cr, που προκαλεί η παρουσία του DAP. Στο τρίτο μέρος, διερευνήθηκε η έκπλυση τέφρας P. halepensis, πριν και μετά την επεξεργασία της δασικής ύλης με εμπορικούς επιβραδυντές. Η χρήση των εμπορικών επιβραδυντών δημιουργεί όξινο περιβάλλον και υπό τις συνθήκες αυτές, σημαντική ποσότητα τοξικών στοιχείων διαλυτοποιείται. Εν συνεχεία, μελετήθηκε η έκπλυση τέφρας βελόνων P. halepensis επεξεργασμένων με χουντίτης και υδρομαγνησίτης. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτά που προέκυψαν από δείγματα επεξεργασμένα με εμπορικούς επιβραδυντές έδειξε ότι η παρουσία υδρομαγνησίτη και χουντίτη παρεμποδίζει την απελευθέρωση τοξικών στοιχείων που περιέχονται στην τέφρα, εξαιτίας του αλκαλικού μέσου που δημιουργείται από την διάσπαση τους. Τέλος, διερευνήθηκε η χημική σύσταση τέφρας από πραγματική δασική πυρκαγιά, η οποία βρέθηκε να έχει παραπλήσια σύσταση με αυτή που παρασκευάστηκε εργαστηριακά παρουσία επιβραδυντή DAP. Οι ευρέως χρησιμοποιούμενοι επιβραδυντές μπορούν να εισάγουν σημαντικές ποσότητες τοξικών στοιχείων στο οικοσύστημα. Η ανάπτυξη και εισαγωγή νέων επιβραδυντικών μέσων βασισμένων σε ορυκτά θα μπορούσε να ελαχιστοποιήσει τα παραπάνω περιβαλλοντικά προβλήματα.