Visualisierung der Penetration von Salzsäure in kanzerogenen Fasern

Beschreibung des technischen Gebietes der Erfindung

Bei der Demontage kanzerogener Spritzmassen wurden bisher hohe Faserexpositionen erzeugt. Die Aufgabenstellung bestand in der Auffindung eines pH-stabilen Farbstoffes, der es ermöglicht, die Penetration von Salzsäure in verschieden starken amorphen kanzerogenen Fasern (Spritzasbest oder künstliche Mineralfasern zum Brandschutz auf Bauelementen) zu detektieren. Dabei sollte die kontinuierliche farbliche Durchdringung der Faserschichten gleichlaufend mit dem Zersetzungsprozess der Salzsäure erreicht werden. So kann während der Sanierungsarbeiten der Fortgang des Penetrationsprozesses eingeschätzt und danach die Arbeiten zum Entfernen der nun schwammigen Schichten leichter durchgeführt werden. Aus der DE102012006763B4 ist ein Verfahren bekannt. Der Nachteil in diesem Verfahren liegt darin, dass sich das Kontrastmittel nicht in der gewünschten Form gleichmäßig verteilt.

Darstellung des bisherigen Standes der Technik

Die Demontage von kanzerogenen Massen ist detailliert in der Gefahrstoffverordnung, in der TRGS 519 Asbest, Abbruch-, Sanierungs- und Instandsetzungsmaßnahmen, in der TRGS 521 Abbruch-, Sanierungs-, und Instandhaltungsarbeiten mit alter Mineralwolle und der Asbestrichtlinie geregelt. Die Demontage erfolgte mechanisch und war mit einem großen Zeitaufwand verbunden. Die Spritzmassen konnten nur schwer und ohne Rückstände von den Untergründen entfernt werden. Hierzu wurden kostenintensive Schutzmaßnahmen und Reinigungstechniken eingesetzt. Die Reinigung erfolgte durch Eisstrahlen, zeitaufwändiger mechanischer Reinigung durch Bürsten etc. Bei Bauteilen mit komplizierten Geometrien konnten die kanzerogenen Fasern nicht ohne Rückstand entfernt werden. Darstellung des technischen Problems

Durch den Mangel an innovativen Verfahren waren bei den beschriebenen Arbeitstechniken das rückstandslose entfernen von kanzerogenen auf unterschiedlichen Untergründen nicht gegeben. Es standen keine Verfahren zur Verfügung die eine Verminderung der Faserexposition, eine Minimierung der händischen Arbeit, eine Verminderung der Gefahren, eine Minimierung des Arbeitschutzes, eine Verbesserung der Sanierungserfolge, eine Verkürzung der Sanierungszeiten sowie eine Minimierung der Sanierungskosten ermöglichten. Nach der Erforschung einer innovativen Sanierungstechnik von kanzerogenen Fasern mittels Salzsäure war bisher das eingesetzte Kontrastmittel unzureichend. Daher galt es weitere Forschungen zur Optimierung des Kontrastmittels mit einer Breiten chemischen Palette herzustellen. Aufgabe der Erfindung ist es eine Sanierlösung der eigens genannten Art zu schaffen, die eine verbesserte Sichtbarkeit der Bereiche ermöglicht.

Darstellung der Problemlösung

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, dass Kontrastmittel aus der Gruppe der organischen und anorganischen Substanzen wie Acridine Orange, Brilliantkresylblau, Bromphenolblau, Eosine Y, Erythrosin B, Fluorescein, Methylblau, Methyl Orange, Thymol Blau etc. umfassend analysiert wurden. Die Vorteile liegen bei benannten Substanzen in der gleichmäßigen Durchdringung kanzerogener Fasern mit Hilfe von Salzsäure. Die Untersuchungen wurden in zwei Teilschritten durchgeführt. Im ersten Untersuchungsabschnitt wurden Asbestproben, in grober Schüttung in Polypropylen-Säulenkörper gefüllt. An diesen Modellpackungen wurde das Penetrationsverhalten verschiedener Farbstofflösungen getestet. Mit den hier gewonnenen Erkenntnissen wurden im zweiten Teil sechs verschiedene Asbestproben, die in dieser Form im Bauwesen zum Einsatz kamen, behandelt, um sich den realen Bedingungen anzunähern. Wenn nicht anders angegeben, wurde für alle Versuche 15 %ige Salzsäure verwendet. Bei der Auswahl der Farbstoffe wurden folgende Kriterien zugrunde gelegt:

Löslichkeit in Wasser bzw. Säuren Lagerstabilität in konzentrierten Säuren

Preis Toxizität

Farbintensität

Im Folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung verdeutlicht.

Teil 1 - Auswahl der Farbstoffe

Die vorgefertigten Probesäulen (Durchmesser 23 mm) enthielten körnigen bis pulverförmigen amorphe kanzerogene Fasern als Schüttung, der mäßig verpresst war, in einer Höhe von 80— 90 mm. In Voruntersuchungen wurden Löslichkeitsund Färbeverhalten verschiedener Farbstoffe getestet. Alle Farbstoffe sind in Wasser gut löslich. In verdünnten Säuren (ca. 1 M) sind sie ebenfalls gut löslich bzw. soweit löslich, dass deutlich gefärbte Lösungen erhalten werden. Über das Löslichkeitsverhalten der in Frage kommenden Farbstoffe in hochkonzentrierten Säuren sind aus der Literatur keine Informationen bekannt. Es wurden daher Testlösungen in 15%iger Salzsäure angesetzt. Löslichkeit

Farbstoff Farbe Nachteile

in 15% iger Salzsäure

Acridine Orange gut Löslich orangerot

Brilliantkresylblau löslich

dunkelblau

Bromphenolblau löslich

dunkelblau

Eosine Y gut löslich orangegelb blasse Färbung

Erythrosin B löslich

dunkelblau

Fluorescein gut löslich gelbgrün blasse Färbung

Methylblau gut löslich dunkelblau

Methyl Orange gut löslich orangerot

Thymol Blau gut löslich rotviolett auf Asbest Farbe sehr blass

Aus der Tabelle ist zu entnehmen, dass die Farbstoffe Eigenschaften besitzten, die für den Anwendungszweck sehr vorteilhaft sind. Fluorescein und Methylorange sind für sich alleine nur für besondere Einsatzgebiete geeignet, da die Farbigkeit bzw. der Farbkontrast sehr gering ist.

Herstellung der Farbstofflösungen als Beispiellösung mit Methylblau und/oder Fluorescein:

• Lösung A: 80 mg Methylblau in 1000 ml 15%iger Salzsäure (c = 0,1 mM)

• Lösung B: 80 mg Methylblau (c = 0,1 mM) und 66 mg Fluorescein (c = 0,2 mM) in 1000 ml 15%iger Salzsäure

• Lösung C: 400 mg Methylblau in 1000 ml 15%iger Salzsäure (c = 0,5 mM)

Es wurden auch Mischungen von Methylblau und Fluorescein verwendet. Hierbei findet eine Farbvertiefung von blau (Methylblau alleine) nach schwarzblau statt. Teil 2 - Untersuchungen mit kanzerogenen Fasern in Polypropylen-Säulen

Es wurde versucht, das Eindringen der salzsauren Farbstofflösungen in die Schichten halbquantitativ zu verfolgen. Da das Untersuchungsmaterial, was in der Natur der Sache liegt, Inhomogenitäten aufweist, sind die erhaltenen Daten nur Richtwerte.

Die senkrecht eingespannten Säulen wurden in 2 ml Portionen mit Farbstofflösung A beladen. Dabei kam es durch die Reaktion mit basischen Bestandteilen (Carbonat) der kanzerogenen fasern zu einer heftigen Gasentwicklung. Ein Folgeauftrag von Farbstoff lösung fand erst nach beendeter Gasentwicklung statt. Es wurde gewährleistet, dass die Säulen immer am Kopf mit Flüssigkeit bedeckt waren. Der zeitliche Verlauf des Eindringens in die Schicht wurde verfolgt. Zu Beginn fand ein sehr schnelles Eindringen (34 cm in 10- 20 min) der Lösung in die Schicht statt. Bei fest gepackten Säulen verlangsamte sich anschließend das Eindringen in die Schicht deutlich. Die Lösungen erreichten hier das Säulenende nach 1 - 2 h. Diese Verlangsamung war eine Folge der ablaufenden chemischen Reaktion zwischen Säure und basische kanzerogenen Fasern. Es fand die Bildung einer homogenen Masse statt, die zu einer Verdichtung des Materials im mittleren Bereich führte. Locker gepackte Säulen hingegen wurden sehr viel schneller von den Lösungen durchlaufen (30 min - 1 h). Die bei der vollständigen Penetration benötigten Volumina der Farbstofflösungen werden natürlich durch die Säulengröße bestimmt, also 40 - 50 ml. Dass die ablaufenden chemischen Reaktionen, verbunden mit einer Verdichtung des Materials, für die Penetrationsgeschwindigkeit ganz entscheidend sein, dies zeigt das Ergebnis des folgenden Versuchs:

Eine entsprechende Farbstofflösung von Methylblau (c = 0,1 mM) in Wasser durchläuft auch eine fest gepackte Säule innerhalb von 10 min. Die Flüssigkeit, welche zunächst die Säule verlässt, war pH-neutral, was eine Folge der ablaufenden Neutralisationsreaktion ist. Die ablaufenden Lösungen waren gelb gefärbt, was mit Zersetzungsreaktionen und dem Herauslösen farbiger Substanzen (Salze) aus dem Asbest erklärt werden kann. Der Farbstoff Methylblau wanderte langsamer durch die Säule als die Flüssigkeitsfr„ont. ^Es findet also eine Adsorption an der Asbestoberfläche statt. Es liegt in der Natur der Sache, dass hydrophile, wasserlösliche Substanzen in Wechselwirkung zu silikatischen Oberflächen treten. Das nach 2 -4 h die Säule verlassende Eluat (bei fest gepackten Säulen) ist dann blau gefärbt und besitzt auch einen sauren pH-Wert.

Um die in der Aufgabenstellung angestrebte komplette Durchdringung der salzsauren Penetrationsphase mit dem Chromophor zu gewährleisten, wurde die Konzentration des Methylblaus in der Lösung um den Faktor 5 erhöht. Daraufhin wurde der oben beschriebene Ablauf auch mit der Lösung C durchgeführt. Die höhere Farbstoffkonzentration bewirkt eine schnellere Sättigung der Oberfläche. Dadurch läuft der Farbstoff auch in der Lösungsmittelfront und erreicht zusammen mit der Flüssigkeit den Säulenausgang

Für Versuche zur Erhöhung der Farbintensität der mit Salzsäure penetrierten Bereiche kam das in Teil 1 beschriebene Gemisch (Lösung B) aus Methylblau und Fluorescein zum Einsatz. Mit dem Farbstoffgemisch B ergab sich gegenüber den reinen Methylblau-Lösungen tatsächlich ein noch farblich intensiveres Erscheinungsbild (schwarzblaue Färbung). Der zeitliche Verlauf der Penetration blieb davon unberührt.

Teil 3 - Untersuchungen an Baustoffen mit kanzerogenen Fasern

Sechs verschiedene kanzerogene Materialien mit unterschiedlichen Bindungen, sollten auf ihre Penetrationsfähigkeit untersucht werden.

Material Asb 1 : Sokalit, Plattendicke 18 mm, die Platte besitz eine glatte, festere

Oberseite und eine rauere, etwas lockere Unterseite

Material Asb 2: Plattendicke 28— 30 mm, mäßig gepresstes Material

Material KMF 3: Plattendicke ca. 22 mm, sehr locker gepresste Platte Die Platten wurden waagerecht befestigt. Anschließend wurde die Farbstofflösung A auf einer Fläche von ca. 1 - 2 cm ² portionsweise aufgetropft. Fortlaufend wurde Lösung A nachgegeben, sobald sämtliche Flüssigkeit aufgesogen war. Es wurde nur so viel Lösung verwendet, dass die horizontale Ausbreitung auf der Oberfläche auf ca. 4 cm ² begrenzt blieb.

Ergebnisse

Material Sokalit

Nach 1 ,5 stündiger Behandlung war ein Materialabtrag (Vertiefung) von 1-2 mm zu beobachten (Bild 3). Verbrauch: 10 ml Lösung A. Die Gesamteindringtiefe von 4 mm (Blaufärbung) wurde durch vorsichtigen Materialabtrag ermittelt. Nach 1 ,5 stündiger Behandlung war ein Materialabtrag (Vertiefung) von 18 mm zu beobachten. Verbrauch: 10 ml Lösung A. Gesamteindringtiefe (Blaufärbung) 18 mm.

Material Asb. 2 schwach gebundene Asbestplatte

Bei der handelsüblichen Asbestplatte war nach drei Minuten Behandlung ein vollständiger Materialabtrag (Lochbildung) zu beobachten

Material KMF 3: Plattendicke ca. 22 mm, sehr locker qepresste Platte

Nach 2-stündiger Behandlung hatte Lösung A das Material vollständig durchtränkt. Nach einer weiteren Stunde hatte sich ein Loch gebildet und die blaue Lösung tropfte durch das Material Verbrauch: 20 ml Lösung A. An der Auftragsstelle wurde das Material anschließend gebrochen. Auswertung

Auf Grundlage der Voruntersuchungen zur Löslichkeit in 15%iger Salzsäure und der Beurteilung der Farbintensitäten konnten sämtliche benannte organische und anorganische Kontrastmittel als geeignete Farbstoff validiert werden. Diese sind gekennzeichnet durch eine intensive Farbigkeit schon bei niedrigen Konzentrationen (ab 0, 1 mM), seine Stabilität in Säuren, seinen günstigen Preis und seine Ungiftigkeit. Darüber hinaus sind diese bei der Behandlung von kanzerogenen Fasern ebenfalls ausreichend stabil und färben die behandelten Materialien in den penetrierten Schichten sichtbar.

Für den geplanten Verwendungszweck der Visualisierung des Penetrationsvorgangs bei der Behandlung von amorphen kanzerogenen mit Salzsäure und die zu erzielende vollständige Durchfärbung der penetrierten Schichten ist Methylblau als geeigneter Chromophor als besonders geeignet gefunden worden. Die Verwendung einer Konzentration 0,5 mM Methylblau in 15%iger Salzsäure weisen gute Ergebnisse auf.

Ein erfolgreicher Einsatz erprobter und genannter Lösungen bei der Entfernung von amorphen kanzerogenen Fasern ist damit möglich.