Lendtuhk

Lendtuhk on üks põlemise jääkidest. See koosneb väga väikestest osakestest, mis tõusevad põlemiskoldest koos põlemisgaasidega, samas kui põhjatuhk jääb põlemiskolde põhja. Tööstuslikus kontekstis tähendab lendtuhk tavaliselt söe põletamisel tekkivat tuhka, samuti ka teiste kütuste põletamisel tekkivat lenduvat tuhka. Eestis on põhiline lendtuha allikas põlevkivi põletamine. Lendtuhka eemaldatakse põlemisgaasidest enne söeelektrijaama korstnasse jõudmist elektrostaatiliste sadestite või muude osakeste filtreerimiseks mõeldud seadmetega ja eemaldatakse koos põhjatuhaga katla alumises osas. Sõltuvalt põletatava söe päritolust ja koostisest varieeruvad lendtuha koostisosad märkimisväärselt, kuid kõik lendtuha variatsioonid sisaldavad suurel hulgal ränidioksiidi (SiO2) ja kaltsiumoksiidi (CaO). Mõlemad on sütt sisaldavate kivimikihtide endeemilised koostisosad. Lendtuha toksiliste koostisosade olemasolu sõltub söelademe koosseisust, kuid tuhk võib sisaldada järgnevaid elemente või aineid vaevu tuvastatavatest kogustest kuni mõne protsendini: arseen, berüllium, boor, elavhõbe, kaadmium, koobalt, kroom, heksavalentne kroom, mangaan, molübdeen, plii, seleen, strontsium, tallium ja vanaadium. Lisaks võib lendtuhk sisaldada dioksiine ja polütsüklilisi aromaatseid süsivesinikke. Minevikus suunati lendtuhk enamasti otse atmosfääri, kuid viimastel kümnenditel kohustuslikuks tehtud saastereguleerimise seadmete nõuded kohustavad selle enne lendumist kinni püüdma. Ameerika Ühendriikides ladestatakse lendtuhk enamasti söeelektrijaamades või paigutatakse prügilatesse. Umbes 43% lendtuhast töödeldakse ümber ja kasutatakse sagedasti tsemendi tootmisel. Lendtuha materjal tahkub heitgaasides ja kogutakse elektrostaatiliste sadestitega või filterkottidega. Kuna lendtuha osakesed tahkuvad väga kiiresti, on nad enamasti sfäärilise kujuga suurusjärgus 0,5 µm kuni 300 µm. Kiire jahtumise tagajärjel on vaid osal mineraalidest piisavalt aega kristalliseerumiseks ja järele jääb peamiselt amorfne mass. Samas ei sula (täielikult) mõned kuumusele vastupidavamad faasid söes, vaid jäävad kristalseks. Sellest järeldub, et lendtuhk on heterogeenne materjal. Peamised keemilised komponendid lendtuhas on ränidioksiid (SiO2), alumiiniumoksiid (Al2O3), raud(III)oksiid (Fe2O3) ja mõnikord kaltsiumoksiid (CaO). Peamised lendtuhas esinevad faasid on klaasifaas kvartsi, mulliidi ning raudoksiidide hematiidi, magnetiidi ja/või maghemiidiga. Teised tihti esinevad faasid on anhüdriit, kristobaliit, vaba CaO, periklaas, kaltsiit, sülviin, haliit, portlandiit [Ca(OH)2], rutiil ja anataas. ASTM C618 defineerib kaks lendtuha klassi: F-klassi lendtuhk ja C-klassi lendtuhk. Peamine erinevus nende kahe klassi vahel on alumiiniumi-, kaltsiumi-, raua- ja ränisisaldus tuhas. Lendtuha keemilised omadused määrab suuresti põletatava söe keemiline koostis. Kõvema ja vanema antratsiidi ja bituminoosse söe põlemisel tekib tavaliselt F-klassi lendtuhk. Selline lendtuhk sarnaneb räni- ja alumiiniumirikka vulkaanilise liivja tuhaga (pozzolan) ning sisaldab alla 20% lupja (CaO). F-klassi lendtuha pozzolan-omaduste tõttu vajab see tsementeerumiseks aktivaatorit, näiteks kaltsiumhüdroksiidi [Ca(OH)2]. Lisaks on tsementeerumiseks vaja vett. C-klassi lendtuhk tekib noorema pruunsöe või subbituminoosse söe põlemisel. Lisaks pozzolan-omadustele on sel ka mõningaid isetsementeerumise omadusi. Kokkupuutel veega C-klassi lendtuhk ajapikku taheneb ja tugevneb. Üldiselt sisaldab C-klassi lendtuhk üle 20% lupja (CaO). Erinevalt F-klassi lendtuhast ei vaja C-klassi lendtuhk tsementeerumiseks aktivaatorit. Leeliste ja sulfaadi (SO4) sisaldus on C-klassi lendtuhas üldiselt suurem. Lendtuhka kasutatakse (tähtsuse vähenemise järjekorras): betooni tootmises liiva ja portlandtsemendi asendusmaterjalina; tee-ehituses teetammide ja muude struktuuride täitematerjalina; krohvi tootmisel; jäätmete stabiliseerimisel ja tahkestamisel; tsemendiklinkerite tootmine (savi asendusmaterjalina); kaevanduste rekultiveerimine; teede aluspõhja konstruktsioon; agregaatmaterjali asendajana (näiteks telliste tootmisel); asfaltbetoonsegu mineraalse täiteainena; põllumajanduslikud kasutusviisid: maaparandusel, väetisena, aedikutes pinnase stabiliseerimisel; jõgedel jää sulatamise eesmärgil laiali puistamisel; teedel ja parklates jää libeduse vähendamise eesmärgil laiali puistamisel; veel kasutatakse lendtuhka kosmeetikas, hambapastas, köögi tööpindades, põranda- ja laeplaatides, keeglikuulides, tööriistade käepidemetes ja vartes, pildiraamides, auto- ja paadikeredes, geopolümeerides, katusekivides, tuhaplokkides, PVC-torudes, kiirteede helibarjäärides, ustes ja aknaraamides, dušikabiinides, pargipinkides, postkastides, tehislikes korallriffides, värvides, täiteainena puidust ja plastikust toodetes. Oma pozzolan-omaduste tõttu kasutatakse lendtuhka osaliselt portlandtsemendi asendajana betoonis. Lendtuha kasutusvõimalust pozzolan-koostisosana teadvustati 1914. aastal, kuid esimene tõsiseltvõetav uurimus lendtuha kasutamise kohta tehti 1937. aastal. Ehitiste puhul nagu akveduktid ja Panteon Roomas kasutati betooni tootmisel pozzolantuhka, millel on lendtuhaga sarnased omadused. Pozzolani tähtsus seisneb betooni tugevuse ja vastupidavuse parandamises. Portlandtsemendi asendajana saab kasutada C-klassi lendtuhka. F-klassi lendtuhk võib vähendada betooni resistentsust külmumis- ja sulamiskahjustustele. Enamasti asendab lendtuhk kuni 30% portlandtsemendi massist betoonis, kuid teatud rakenduste korral võib kasutada suuremaid koguseid. Lendtuhk võib betoonile lisada tugevust, resistentsust kemikaalidele ja vastupidavust. Samuti võib lendtuhk oluliselt parandada betooni töödeldavust. Lendtuha omadused on ehitusmaterjalide hulgas ebatavalised. Erinevalt tavaliselt teetammide ehitamisel kasutatavast pinnasest on lendtuhk kõrge uniformsusega ja koosneb saviosakeste suurustest osakestest. Omadused, mis mõjutavad lendtuha kasutamist teetammide ehitamisel: terade suuruste jaotis, nihketugevus, tihendamisomadused, kokkusurutavus, läbitavus (vedelikele), jäätumiskindlus. Peaaegu kõik teetammides kasutatavad lendtuha tüübid on F-klassi lendtuhad. Mulla stabiliseerimine on mulla keemiline ja füüsikaline mõjutamine mulla füüsikaliste omaduste permanentse muutmise eesmärgil. Stabiliseerimine võib suurendada mulla nihketugevust ja/või kontrollida mulla paisumis-/kokkutõmbumisomadusi, suurendades seega pinnase kandevõimet teede ja vundamentide toestamiseks. Stabiliseerimist saab kasutada paljude materjalide parandamisel, alates paisuvatest savidest kuni graanulmaterjalideni. Stabiliseerida võib, lisades mitmesuguseid keemilisi elemente ja lisandeid, nagu lubi, lendtuhk ja portlandtsement. Stabiliseerimise positiivsed mõjud: kõrgem takistuse väärtus (R), plastsuse vähenemine, läbitavuse vähenemine vedelikele, väljakaeve vajaduse elimineerimine, võimaldab masinatel ehitusplatsidel liigelda ka märgades oludes. Asfaltbetoonsegu on mineraalagregaadist (liiv, killustik) ja bituumenist koosnev liitmaterjal. Mineraaltäiteainena suuremate agregaatosakeste vahel tühimike täitmiseks ja puutepunktide loomiseks asfaltbetoonsegus saab kasutada nii C-klassi kui F-klassi lendtuhka. Lendtuhka kasutatakse sel eesmärgil teiste sideainete (näiteks portlandtsement või Ca(OH)2) asemel või koos nendega. Tänu lendtuha vett-tõrjuvatele omadustele ei lagune asfalt nii kiiresti. Samuti on leitud, et lendtuhk suurendab asfaldi struktuuri jäikust ja vaod ei teki nii kergesti. Kuna süsi sisaldab vähesel määral arseeni, baariumi, berülliumi, boori, elavhõbedat, kaadmiumi, kroomi, molübdeeni, seleeni ja talliumit, siis on selle tuhas nende elementide jäljed ja sellist tuhka ei ole lubatud ladestada kohas, kus vihmavesi võib need metallid põhjaveekihtidesse viia. Lendtuhka ladestatakse suurtes kogustes enamasti märjana, et vähendada tolmamist. Tulemuseks on suured ja pikka aega stabiilsed tiigid, kuid nende tammide või tõkkeseinte purunemisel on tagajärjed kiired ja laiaulatuslikud. Detsembris 2008 purunes Tennessee Valley Authorityle kuuluva Kingston Fossil Planti söeelektrijaama lendtuha märgladestamise tiigi tamm. Vabanes 5,4 miljonit kuupjardi (~4,1 miljonit kuupmeetrit) söest pärinevat lendtuhka, kahjustades 3 eramut ja voolates Emory jõkke. Lendtuhk sisaldab väikestes kogustes raskmetalle ja muid aineid, mis suurte koguste korral kahjustavad tervist. Potentsiaalselt toksilised elemendid söes on arseen, baarium, berüllium, elavhõbe, kaadmium, kroom, molübdeen, nikkel, plii, raadium, seleen, toorium, tsink, uraan, vanaadium ja vask. Umbes 10% söe massist koosneb põletamatust mineraalainest, millest moodustub tuhk, seega on jälgelementide kontsentratsioon söetuhas umbes 10 korda kõrgem kui söes.Ameerika Ühendriikide Geoloogiateenistuse 1997. aastal tehtud analüüsi tulemusel leiti, et lendtuhk sisaldas enamasti 10–30 ppm uraani, mis on võrreldav kogustega mõningates graniitsetes kivimites, fosfaatkivimis ja mustas savikildis. Lendtuhas kujutavad tervisele ohtu kristalne ränidioksiid ja lubi ning toksilised kemikaalid. Tööstuse ametliku seisukoha järgi pole lendtuhk ei toksiline ega mürgine, kuid see on vaieldav. Lendtuha nahale sattumine, peene tolmu sissehingamine ja selle sisaldus joogivees võivad olla terviseriskid. Peent kristalset räni lendtuhas on seostatud kopsukahjustustega, konkreetsemalt silikoosiga. Mõningat ohtu kujutab endast lendtuhas sisalduv lubi (CaO). Veega reageerimisel moodustub kaltsiumhüdroksiid [Ca(OH)2], mistõttu on lendtuha pH 10 ja 12 vahemikus (aluseline). Ka see võib piisavate koguste korral kaasa tuua kopsukahjustused. Põlevkivituhk Managing Coal Combustion Residues in Mines, Committee on Mine Placement of Coal Combustion Wastes, National Research Council of the National Academies, 2006 (inglise keeles) Human and Ecological Risk Assessment of Coal Combustion Wastes, RTI, "Research Triangle Park"., August 6, 2007, prepared for the "U.S. Environmental Protection Agency". (inglise keeles) American Coal Ash Association www.acaa-usa.org (inglise keeles) "Is fly ash an inferior building and structural material". Science in Dispute. 2003. 2003. (inglise keeles) Snellings, R.; Mertens G., Elsen J. (2012). "Supplementary cementitious materials". Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 74: 211–278. (inglise keeles) "ASTM C618 – 08 Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete". ASTM International. Vaadatud 18.09.2008. (inglise keeles) Gaarder, Nancy. "Coal ash will fight flooding", Omaha World-Herald, 17. veebruar 2010. (inglise keeles) Josephson, Joan. "Coal ash under fire from Portland resident", "ObserverToday", 13. veebruar 2010. (inglise keeles) U.S. Federal Highway Administration. "Fly Ash". (inglise keeles) Public Employees for Environmental Responsibility. "Coal Combustion Wastes in Our Lives". Originaali arhiivikoopia seisuga 17. jaanuar 2011. Vaadatud 21. oktoobril 2013. (inglise keeles) Scott, Allan N .; Thomas, Michael D. A. (2007). "Evaluation of Fly Ash From Co-Combustion of Coal and Petroleum Coke for Use in Concrete". ACI Materials Journal. American Concrete Institute. 104 (1): 62–70. (inglise keeles) Halstead, W. (oktoober 1986). "Use of Fly Ash in Concrete". National Cooperative Highway Research Project. 127. (inglise keeles) Moore, David. The Roman Pantheon: The Triumph of Concrete. (inglise keeles) U.S. Federal Highway Administration. "Fly Ash Facts for Highway Engineers" (PDF). (inglise keeles) Zimmer, F. V. (1970). "Fly Ash as a Bituminous Filler". Proceedings of the Second Ash Utilization Symposium (inglise keeles) A December 2008 Maryland court decision levied a $54 million penalty against Constellation Energy, which had performed a "restoration project" of filling an abandoned gravel quarry with fly ash; the ash contaminated area waterwells with heavy metals. C&EN/12 veebr. 2009, lk. 45 (inglise keeles) Dewan, Shaila (2008). "Tennessee Ash Flood Larger Than Initial Estimate". The New York Times. (inglise keeles) Walker, T.R., Young, S.D., Crittenden, P.D., Zhang, H. (2003) Anthropogenic metal enrichment of snow and soil in Northeastern European Russia. Environmental Pollution. 121: 11–21. (inglise keeles) Walker, T.R. (2005) Comparison of anthropogenic metal deposition rates with excess soil loading from coal, oil and gas industries in the Usa Basin, NW Russia. Polish Polar Research. 26(4): 299–314. (inglise keeles) U.S. Geological Survey (oktoober 1997). "Radioactive Elements in Coal and Fly Ash: Abundance, Forms, and Environmental Significance" (PDF). U.S. Geological Survey Fact Sheet FS-163-97. (inglise keeles)