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Assessment of innovative in "situ" techniques for groundwater and soil remediation

nanoremediation and thermal desorption

Susanne Laumann

Art der Arbeit

Dissertation

Universität

Universität Wien

Fakultät

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Betreuer*in

Thilo Hofmann

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DOI

10.25365/thesis.30830

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-30335.95507.537663-3

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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)

Abstracts

Abstract

(Deutsch)

Boden- und Grundwasserkontaminationen durch organische und anorganische Schadstoffe sind ein weitverbreitetes Problem in vielen Industrieländern. Chlorierte Kohlenwasserstoffe gehören dabei zu den am häufigsten vorkommenden Schadstoffen. Gelangen diese in die Umwelt, sind großflächige Kontaminationen des Untergrundes möglich. Zur Sanierung derart kontaminierter Standorte ist es notwendig nachhaltige und innovative Sanierungsverfahren zu entwickeln und zur Marktreife zu bringen. Das Ziel dieser Dissertation war es zwei ausgewählte innovative Sanierungsverfahren für die Grundwasser- und Bodensanierung zu untersuchen, eine Sanierung in der Praxis wissenschaftlich zu begleiten und diese Verfahren zu optimieren. Bei den Verfahren handelt es sich um die Sanierung mit Nanoeisenpartikeln und die thermische in situ Sanierung. Zum einen wurde das Transportverhalten von Nanoeisenpartikeln genauer untersucht, da die geringe Mobilität der Nanoeisenpartikel derzeit einen breiten Einsatz in der Grundwassersanierung verhindert. Zum anderen wurde die Effektivität der thermischen in situ Sanierung in der ungesättigten Bodenzone an einem Feldstandort mit Hilfe einer Stoffflussanalyse bewertet. Die Ergebnisse der Dissertation können folgendermaßen zusammengefasst werden: Sanierung mit Nanoeisenpartikeln - Die Mobilität von kommerziell erhältlichen mit Polyacrylsäure modifizierten Nanoeisenpartikeln (PAA-nZVI) nimmt in carbonatreichen Aquiferen und in Gegenwart von hohen Calciumkonzentrationen ab. - Die maximale Transportreichweite beträgt 1,6 m im Quarzsand und verringert sich auf wenige Zentimeter im Carbonatsand. - Die Modifizierung der Oberfläche des Aquifermaterials mit Polyelektrolyten (natürliches organisches Material, Huminsäure, Carboxymethylcellulose und Ligninsulfonat) beeinflusst das Transportverhalten der Nanoeisenpartikel in carbonatreichen Aquiferen. - Die Coinjektion von Polyelektrolyten zusammen mit den Nanoeisenpartikeln führt zu einer erhöhten Partikelmobilität bei hohen Calciumkonzentrationen und in carbonatreichen Aquiferen. - Von den verwendeten Polyelektrolyten ist Ligninsulfonat an einem Feldstandort zu bevorzugen, da es nicht toxisch, in großen Mengen verfügbar und preisgünstig ist. - Der größte Einfluss auf die Partikelmobilität wird bei Ligninsulfonatkonzentrationen ≥ 50 mg/l beobachtet. Die Coinjektion dieser Ligninsulfonatmenge führt zu einer Verdopplung der Transportreichweite der Nanoeisenpartikel in carbonatreichen Aquiferen. In situ thermische Sanierung - Durch die in situ thermische Sanierung in der ungesättigten Bodenzone wurde ein Großteil der Schadstoffe am untersuchten Feldstandort entfernt. Der Sanierungszielwert in der Bodenluft (10 mg/m3) wurden nach neun Monaten erreicht. Dies verdeutlicht die hohe Effizienz der thermischen Sanierung an diesem kontaminierten Standort. - Die Stoffflussanalyse ist ein geeignetes Mittel zur Evaluierung einer Sanierungsmaßnahme. Sie ermöglicht es, Schadstoffemissionen in die Umwelt während und nach Sanierung zu quantifizieren und gibt einen Überblick über Prozesse, die während der Sanierung im Boden stattfinden. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen, dass die Weiterentwicklung von innovativen Sanierungsverfahren notwendig ist, um kontaminierte Standorte effektiv zu sanieren. Eine umfassende Evaluierung von verschiedenen Verfahren ist ein weiterer wichtiger Schritt zur Optimierung und Weiterentwicklung von innovativen Sanierungstechniken. Um eine nachhaltige Sanierung sicherzustellen, sollte diese Evaluierung alle Auswirkungen auf die Umwelt berücksichtigen.

Abstract

(Englisch)

Contamination of soil and groundwater by organic and inorganic contaminants is a serious environmental issue in many industrial countries. Chlorinated solvents are among the most frequently found contaminants in soil and groundwater. Once released into the environment, they can contaminate large volumes of soil and groundwater and persist in the subsurface for decades. Consequently, sustainable and effective remediation strategies are needed to clean up such contaminated land and to improve environmental quality. The overall objective of this PhD thesis was to investigate the use of two selected innovative remediation techniques: nanoremediation and in situ thermal desorption. More specifically, the objectives were (1) to close some of the gaps in knowledge with respect to the mobility of nZVI in the subsurface that currently limit the practical use of nanoremediation for in situ groundwater treatment and (2) to evaluate the effectiveness of in situ thermal desorption in a contaminated soil by means of material flow analysis. The main findings can be summarized as follows: Nanoremediation - The mobility of commercially available, polyacrylic acid coated nZVI (PAA-nZVI) was significantly reduced in carbonate-containing porous media and in the presence of high dissolved calcium concentrations. - The maximum predicted travel distance of PAA-nZVI was reduced from approximately 1.6 m in quartz sand to just a few centimeters in pure carbonate sand. - Modification of the aquifer grain surfaces by means of a polyelectrolyte coating (natural organic matter, humic acid, carboxymethyl cellulose, and lignin sulfonate) affects the PAA-nZVI mobility in carbonate porous media. - The co-injection of polyelectrolytes has been shown to increase the mobility of PAA-nZVI in carbonate-containing porous media and also in the presence of high dissolved calcium concentrations (as typically found in carbonate-rich aquifers). - Lignin sulfonate, an environmentally friendly and inexpensive agent, was identified as the most suitable polyelectrolyte for field applications. - The greatest increase in PAA-nZVI mobility in carbonate sand was achieved with co-injected lignin sulfonate concentrations of 50 mg L-1 or more. At these concentrations the maximum PAA-nZVI travel distance in carbonate porous media was double that measured in the absence of lignin sulfonate. In situ thermal desorption (ISTD) - At the investigated field site, ISTD was effective in removing the majority of chlorinated solvents from soil. The target remediation value in soil vapor (10 mg m−3) was achieved after nine months of remediation, demonstrating the efficiency of ISTD for this particular site. - Material flow analysis is shown to be a suitable tool for evaluation of soil remediation performance. It reveals contaminant emissions into the environment, before and during remediation and provides an overview of processes occurring throughout soil remediation. The results presented in this PhD thesis demonstrate that the optimization of innovative techniques is necessary in order to effectively remediate contaminated land. The comprehensive assessment of a remediation performance is another important step in the further development and optimization of innovative remediation techniques. This assessment should consider all environmental effects of the remediation in order to achieve the best environmental management practices.

Autor*innen

Susanne Laumann

Haupttitel (Englisch)

Assessment of innovative in "situ" techniques for groundwater and soil remediation

Hauptuntertitel (Englisch)

nanoremediation and thermal desorption

Paralleltitel (Deutsch)

Evaluierung von innovativen in situ Verfahren zur Grundwasser- und Bodensanierung: Sanierung mit Nanoeisenpartikeln und thermische Sanierung

Paralleltitel (Englisch)

Assessment of innovative in situ techniques for groundwater and soil remediation: nanoremediation and thermal desorption

Publikationsjahr

2013

Umfangsangabe

VI, 92, 12 S. : Ill., graf. Darst.

Sprache

Englisch

Beurteiler*innen

Gregory Lowry ,

Chih C. Choo

Klassifikation

43 Umweltforschung > 43.12 Umweltchemie

AC Nummer

AC11803465

Utheses ID

27445

Studienkennzahl

UA | 791 | 426 | |

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Schlagwörter