Biopolymere als Staubbindemittel auf Brachflächen des Bergbaus: Ergebnisse aus Labor- und Feldversuchen

Sieger, Johannes Lukas; Lottermoser, Bernd G.; Preuße, Axel

doi:43040

Biopolymere als Staubbindemittel auf Brachflächen des Bergbaus: Ergebnisse aus Labor- und Feldversuchen = Biopolymers as dust suppressantson barren mine soils

Sieger, Johannes Lukas^RWTH*

2024

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Johannes Lukas Sieger, M.Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Lottermoser, Bernd G. (Thesis advisor)^RWTH* ; Preuße, Axel (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-02-01

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-01383
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/978919/files/978919.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Bergbau (frei) ; Brachfläche (frei) ; Polysaccharide (frei) ; Protein (frei) ; Staubbindemittel (frei) ; biopolymer (frei) ; dust control (frei) ; dust suppressant (frei) ; mine soil (frei) ; mining (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Durch Wind verursachte Staubemissionen aus aktiven und stillgelegten Bergwerken stellen nicht nur eine Bedrohung für lokale Ökosysteme und die Gesundheit der Belegschaft dar, sondern beeinträchtigen auch angrenzende Gemeinden. Die Staubemissionen stammen meist von großen, exponierten, brachliegenden Flächen wie Abraumhalden, Bergedämmen, oder Arbeitssohlen und sind schwer kontrollierbar. Diese Problematik wird in Zukunft an Bedeutung gewinnen, da sowohl die Abbauflächen als auch die Häufigkeiten und Intensität von Dürreperioden undStarkwindereignissen weltweit zunehmen werden. Der Einsatz von Staubbindemitteln wie Wasser, Salzlösungen oder erdölbasierten und synthetischen Polymeren ist eine etablierte Methode zur Unterdrückung von Staubemissionen auf brachliegenden Flächen. Während die Wirkung von Wasser jedoch im Zuge der Verdunstung schwindet, sind herkömmliche Staubbindemittel vergleichsweise teuer, können negative Auswirkungen auf die Umwelt haben und sind nicht biobasiert. Da die Bergbauindustrie vor der Herausforderung steht, ihre Umweltbelastungen zu reduzieren und klimafreundlicher zu werden, bedarf es folglich umweltfreundlicher und biobasierter Staubbindemittel, die kostengünstig, verfügbar, und anwendungsfreundlich sind.Das Potenzial von Biopolymeren zur Stabilisierung von Böden und Minderung von Staubemissionen wurde zuletzt vermehrt von Wissenschaftler untersucht. Biopolymere werden von Pflanzen, Tieren oder Mikroorganismen synthetisiert (z. B. Stärke, Zellulose, Gelatine, oder Xanthan). Das Potenzial einer Vielzahl von Polysacchariden und Proteinen aus Quellen, die in kontinentalen Klimazonen beheimatet sind, ist jedoch bislang nur unzureichend erforscht. Darüber hinauswurde die Wirksamkeit von Biopolymeren zur Minderung windinduzierter Staubemissionen bislang nicht in großflächigen Feldversuchen untersucht. Die vorliegende Arbeit setzt an diesen Lücken an und zielt auf die Beantwortung der folgenden Hauptforschungsfrage ab: „Welches Potenzial haben Polysaccharid- und Proteinbiopolymere als Staubbindemittel zur Unterdrückung von Staubemissionen auf Brachflächen des Bergbaus?“. Zur Beantwortung dieser Frage wurde die Arbeit in drei aufeinander folgende Studienphasen unterteilt, deren Ergebnisse in drei entsprechendenForschungsartikeln veröffentlicht wurden: Eine Laborscreeningstudie (Artikel I), eine Laborwindkanalstudie (Artikel II) und großflächige Feldversuche (Artikel III).In der Laborscreeningstudie (Artikel I, S. 15ff.) wurde das Agglomerationspotenzial von 14 ausgewählten Proteinen und Polysacchariden aus verschiedenen pflanzlichen und tierischen Quellen auf zwei für den Bergbau repräsentativen Bodentypen untersucht. Die Bodenproben wurden durch Aufsprühen der Biopolymerlösungen präpariert und auf Wasserrückhaltevermögen, den Penetrationswiderstand und Krustendicke hin untersucht. Es zeigte sich, dass alle Biopolymere Bodenpartikel agglomerierten, unterschiedlich dicke Krusten mit deutlich erhöhtem Penetrationswiderstandbildeten und teilweise das Wasserrückhaltevermögen der Proben verbesserten. Der Biopolymertyp und die Konzentration hatten einen signifikanten Einfluss auf die untersuchten Parameter, wobei die Proteine zumeist in höheren Konzentrationen eingesetzt werden mussten, um ähnliche Ergebnisse wie die Polysaccharide zu erzielen. Die Studie zeigte, dass diverse Biopolymere das Potenzial haben, als Staubbindemittel zu wirken, und ermöglichte die Auswahlgeeigneter Biopolymere für die nachfolgende Studienphase.Nachdem in Artikel I das Potenzial von Biopolymeren anhand indirekter Parameter evaluiert wurde, untersuchte die Laborwindkanalstudie (Artikel II, S. 41ff.) die Winderosionsbeständigkeit von Bodenproben, die mit verschiedenen Biopolymeren, Konzentrationen und Anwendungsmengen behandelt wurden, direkt. Zusätzlich wurden Penetrometerversuche durchgeführt, um zu untersuchen, ob eine Korrelation zwischen Winderosion und Penetrationswiderstand besteht. Die Ergebnisse zeigten, dass alle Biopolymere die Winderosionsbeständigkeit der behandelten Proben signifikant verbesserten und im Vergleich zu unbehandelten Proben teilweise eine Erosionsminderung von >99% erreichten. Der Bodenabtrag nahm mit steigender Konzentration ab, bis ein Plateau erreicht wurde. Die Effektivität der verschiedenen Biopolymere variiert, wobei die Proteine zumeist höhere Konzentrationen benötigten als Polysaccharide, um eine ähnliche Wirkung zu erzielen. Darüber hinaus zeigte die Spearman-Rangkorrelation eine Korrelation zwischen Winderosionsbeständigkeit und dem Penetrationswiderstand, was das Taschenpenetrometer zu einer rapiden und kostengünstigen Methode für die qualitative Bewertung potenziellerStaubbindemittel macht. Die Ergebnisse dieser Studie ermöglichten weiterhin auch die Auswahl geeigneter Biopolymere und Anwendungsparameter für die FeldversucheNachdem die Untersuchungen für Artikel I und II im Labormaßstab und unter Laborbedingungen durchgeführt wurden, untersuchten die groß angelegten Feldversuche (Artikel III, S. 61ff.) die Wirksamkeit von drei ausgewählten Biopolymeren (Maisstärke, Xanthan und Ackerbohnenproteinkonzentrat) unter realen Feldbedingungen. Im August 2022 wurden die Biopolymerlösungen mit einer Feldspritze auf die Versuchsflächen auf der Außenkippe des Braunkohlentagebaus Inden in Deutschland ausgebracht. In den folgenden 45 Tagen wurden auf den Versuchsflächenwiederholt die Staubemissionen gemessen, die von den behandelten Böden durch den von einem Gebläse erzeugten Luftstrom emittiert wurden. Ergänzend wurden visuelle Beobachtungen und Penetrometerversuche durchgeführt. Es zeigte sich, dass alle Behandlungen die durch den Luftstrom verursachten Staubemissionen über einen kurzen Zeitraum (bis zum 8. Tag) signifikant reduzierten. Danach verloren die Behandlungen ihre Wirksamkeit, was wahrscheinlichauf Auswaschungen durch Regen zurückzuführen ist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass unter trockenen Bedingungen eine größere Beständigkeit erreicht worden wäre. Die Feldversuche lieferten somit den praktischen Nachweis, dass Biopolymere die Staubemissionen auf exponierten Bergbauböden über kürzere Zeiträume wirksam reduzieren können.Die Synthese der Ergebnisse zeigt, dass eine hohe Winderosionsbeständigkeit (Artikel II) ein guter Indikator für die Wirksamkeit der Behandlungen unter Feldbedingungen (Artikel III) ist und zudem mit dem Penetrationswiderstand (Artikel I und II) korreliert. In Bezug auf die Hauptforschungsfrage kann daher gefolgert werden, dass die in den Feldversuchen – und wahrscheinlich auch die in den Laborversuchen – getesteten Biopolymere, in der Lage sind, windinduzierte Staubemissionen auf Brachflächen des Bergbaus effektiv zu unterdrücken. Da die Feldversuche- im Vergleich zu anderen Studien über Staubbindemittel - mit relativ geringen Auftragsdosen durchgeführt wurden, ist das funktionelle Potenzial der Biopolymere als Staubbindemittel vielversprechend, obgleich Anwendungen mit konventionellen Staubbindemitteln wahrscheinlich beständiger sind. Das Potenzial der einzelnen Biopolymere variiert erheblich, da einige Substanzen wesentlich höhere Dosierungen benötigen, um eine ähnliche Wirkung zu erzielen wieandere. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass Biopolymere eine vielversprechende, effektive, einfach anzuwendende und verfügbare Alternative zu herkömmlichen Staubbindemitteln darstellen. Auch wenn ihre praktische Anwendung wahrscheinlich häufigere Anwendungsintervalle als bei herkömmlichen Produkten erfordert, sind sie biobasiert und gelten als umweltfreundlich. Zukünftige Studien sollten vergleichende Feldversuche mit Biopolymeren und herkömmlichen Staubbindemitteln sowie standardisierte Tests zur Bestimmung der Ökotoxikologie und derbiologischen Abbaubarkeit umfassen.

Wind-induced dust emissions from active and abandoned mines pose a significant threat to local ecosystems and workers’ health, and affect surrounding communities. They are generated from large, exposed, barren areas, such as tailings dams, dumps, or working benches, and remain challenging to control. This issue will become increasingly important as the footprint of mines and the frequency and severity of droughts and strong wind events are predicted to increase. Using dust suppressants, such as water, salt brines, or petroleum-based and synthetic polymers, is a proven method for dust control on exposed surfaces. However, while the effect of water evaporates quickly, traditional dust suppressants are costly, can have adverse environmental effects, and are not bio-based. As the mining industry is simultaneously challenged to minimise its environmental impacts and meet growing societal expectations, there is a need for low cost, easy to use, readily available, bio-based, and environmentally friendly dust suppressants.Recently, scholars have explored the potential of using biopolymers to stabilise soils or control dust emissions. Biopolymers are produced by plants, animals, or microorganisms (e.g., starches, cellulose, gelatine, or xanthan gum). However, the potential of diverse polysaccharides and proteins from sources native to continental climates remains under-explored, and their effectiveness to control wind-induced dust emissions has not yet been tested in large-scale field trials. This work addressed these gaps and aimed to answer the Main Research Question: “What is the potential of polysaccharide and protein biopolymers as dust suppressants for dust control on barren, undisturbed mine soils?” Therefore, the research of this thesis was divided into three consecutive study phases, the results of which have been published in three corresponding research articles: A Laboratory Screening Study (Article I), a Laboratory Wind Tunnel Study (Article II), and Large-Scale Field Trials (Article III).The Laboratory Screening Study (Article I, p. 15ff.) evaluated the soil agglomeration potential of 14 selected proteins and polysaccharides from diverse botanical and animal sources on two different mine soils. Soil samples were prepared by spray-on application, and the treated samples’ moisture retention, penetration resistance, and crust thickness were investigated. It was found that all biopolymers agglomerated particles and formed crusts of varying thickness, with significantly increased penetration resistances and partially improved moisture retention. Biopolymer type and concentration significantly affected the parameters tested, whereby most proteins required application at higher concentrations to perform similarly to the polysaccharides. The study demonstrated that various biopolymer types display the potential to act as dust suppressants and allowed for the selection of the most promising biopolymers to be studied in the subsequent study phase.After evaluating the potential of biopolymers based on indirect parameters in Article I, the Laboratory Wind Tunnel Study (Article II, p. 41ff.) directly examined the wind erosion resistance of soil samples treated with different biopolymers, concentrations, and application rates. Complementary pocket penetrometer testing was conducted to investigate whether a correlation between wind erosion and penetration resistance exists. The results showed that all biopolymer treatmentssignificantly improved the wind erosion resistance of the samples, partially achieving dust control effectiveness >99% compared to untreated samples. Soil loss was decreased with increasing concentration until reaching a plateau concentration. The effectiveness achieved by the different biopolymer types varied, with proteins tending to require application at higher concentrations than polysaccharides to achieve similar performance. In addition, the Spearman rank correlation revealed a correlation between wind erosion and penetration resistance, making the pocket penetrometer a rapid, low-cost method for qualitatively evaluating potential dust suppressants. The results of this study further allowed the selection of biopolymers and application parameters for the field trials.After the studies for Articles I and II conducted tests at laboratory scale and conditions, Large-Scale Field Trials (Article III, p. 61ff.) investigated the efficacy of three selected biopolymers (corn starch, xanthan gum, and fava bean protein concentrate) under real field conditions. The trials started in August 2022 with a field sprayer applying selected biopolymer doses on trial areas located on the overburden dump of the Inden open-cast lignite mine in Germany. Over the following 45 days, the trial plots were repeatedly tested by measuring the dust emissions from soil plots exposed to airflow of an electric fan and were complemented by visual inspections and penetrometer tests. All treatments significantly suppressed the airflow-induced dust emissions in the short term (up to day 8). After that, the effectiveness of the treatments degraded, likely due to rain leaching the biopolymers off the soil surface. The results suggest that the treatments would have lasted longer under dry conditions. Thus, the field trials provided practical evidence that biopolymers can effectively mitigate dust emissions on exposed, undisturbed mine soils in the short term.The synthesis of the findings showed that a high wind erosion resistance (Article II) proved to be a good indicator of the effectiveness of the treatments at field conditions (Article III) and also correlated with the penetration resistance (Articles I and II). Thus, concerning the main research question, it can be concluded that the biopolymers tested in the field trials, and likely those tested in the laboratory studies, can effectively control wind-induced dust emissions on barren, undisturbed mine soils in the short term. As the field trials tested relatively low treatment doses compared to other dust suppressant studies, the functional potential of biopolymers as dust suppressants is promising, albeit conventional dust suppressant treatments are likely more durable. The dust control potential of the individual biopolymers varies considerably, as some biopolymers require notably higher dosages than others to achieve a similar effectiveness. Ultimately, the results of this thesis demonstrate that biopolymers are a promising, effective, easy-to-use, and readily available alternative to traditional dust suppressants for dust control on barren mine soils. While their practical application will likely require more frequent rejuvenation intervals than commercially available products, they are bio-based and considered environmentally friendly. Future studies should conduct comparative field trials with biopolymers and traditional suppressants and standardised ecotoxicology and biodegradability testing.

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