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Improving the mobility of nanoscale zero-valent iron in granular matrix by means of aquifer modification
Florian Rupert Marko
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Erdwissenschaften
Betreuer*in
Thilo Hofmann
DOI
10.25365/thesis.39147
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-29935.95638.212053-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die experimentellen Ergebnisse dieser Studie zeigen, dass die Pre-Injektion von negativ geladenen Polyelektrolyten (Ligninsulfonat und Humat, hiernach Aquifermodifizerer) in natürlichen Quarzsand die Mobilität von nZVI Partikeln unter gut kontrollierten Laborbedingungen steigern kann. In ultrareinem Wasser konnte das zeta (ζ) potential von Quarzsand mit Ligninsulfonat und Humat dauerhaft gesenkt werden. In EPA Wasser, welches eine hohe Ionenstärke besitzt, blieb des ζ Potential des Quarzsandes konstant. Der Anteil an divalenten Kationen im EPA Wasser schwächte zusätzlich das ζ Potential der nZVI Partikel und reduzierte die elektrostatische sowie elektrosterische Abstoßung zwischen den Partikeln. Folglich vergrößerte sich der durchschnittliche Aggregatsdurchmesser und die nZVI-Partikel wurden immobil in EPA Wasser, während der nZVI Durchbruch in ultrareinem Wasser 0.32 erreichte. Pre-injektion von Aquifermodifizierern zeigte keinen Effekt auf den nZVI-Transport in ultrareinem Wasser. Jedoch konnte der nZVI Durchbruch in EPA Wasser gesteigert steigern, wenn Humat in einer Konzertration von 100 mg L-1 pre-injiziert wurde. Die theoretische maximale Transportdistanz der Partikel L_(T 0.001)wurde hierbei auf 37 cm verlängert. Zusätzlich durchgeführte Langzeit-Transportexperimente könnten darauf hinweisen, dass Humat unter Bedingungen in der Natur auch bei länger andauernden nZVI-Injektionen der wirksamere Aquifermodifizierer ist.
Die Transportkoeffizienten, berechnet nach der Colloid Filtration Theory, zeigten einen Anstieg der theoretischen maximalen Transportdistanz L_(T 0.001) bei Reduzierung von attachment efficiency und first order removal rate. Es ist zu bemerken, dass die benutzten Sandkörner und nZVI keine uniforme Größe sowie perfekte Kugelform besitzen, wie in der Colloid Filtration Theory angenommen. Des Weiteren muss beachtet werden, dass alle Experimente unter gut kontrollierten Laborbedingungen durchgeführt wurden. Um einen möglichst vollständigen Einblick über die Effekte und Wirkungsweisen der zwei getesteten Aquifermodifizierer zu bekommen, sind weitere detaillierte Analysen derer Moleküle und zusätzliche Transportexperimente mit niedrigeren und höheren Konzentrationen notwendig. Die Experimente lieferten Hinweise dafür, dass die kleinste und mobilste Fraktion der nZVI Partikel während des Experimentdurchlaufes oxidiert worden sein könnte, was deren Reaktivität mit Schadstoffen möglicherweise mindern würde. Bevor eine entsprechende Feldanwendung durchgeführt werden sollte, bedarf es weiterer Erforschung dieses möglichen Effektes. Im Hinblick auf eine effektive Verteilung der nZVI-Partikel im kontaminierten Untergrund ist eine weitere Verbesserung des nZVI-Transportes unabdingbar. Verglichen zu EPA Wasser kann kontaminiertes Grundwasser beträchtlich größere Anteile an multivalenten Kationen und eine höhere Ionenstärke aufweisen. Weiters beinhaltet Aquifermaterial einen höheren Anteil an chemischen und physikalischen Heterogenitäten, welche den nZVI-Transport zusätzlich beinträchtigen können.
Abstract
(Englisch)
In situ remediation of groundwater with nanoscale zero-valent iron (nZVI) particles is governed by inter alia particle mobility, which is greatly influenced by surface heterogeneities of mineral grains. Previous studies demonstrated enhanced particle stabilization and mobility in granular matrices when negatively charged polyelectrolytes were applied as suspension-additive. Negatively charged polyelectrolytes are hereby proposed to be used as “aquifer modifiers” under assumption that they can screen positively and weakly negatively charged surfaces of the mineral grains and with it promote mobility of nZVI. This thesis addresses the influence of pre-injected lignin sulfonate and humate (hereafter aquifer modifiers) solutions on mobility of polyacrylic acid-coated nZVI (PAA-nZVI) in well-controlled columns filled with granular matrix. Solutions of aquifer modifiers showed different effects on nZVI mobility, depending on their concentration and the type of water they are prepared in. Without pre-injection of aquifer modifiers, nZVI suspension prepared in divalent cation-rich standardized EPA water was practically immobile, while nZVI suspension prepared in ultrapure water reached a breakthrough of ca. 0.32. Pre-injection of aquifer modifiers in in ultrapure water had no effect on nZVI mobility. Nevertheless, the application of humate in EPA water increased the nZVI breakthrough significantly, resulting in a theoretical maximal transport distance of 37 cm when conducted with 100 mg L-1. Finally, humate appeared to have higher potential to enhance nZVI mobility for longer period of time.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
Aquifer modification pre-injection nanoscale zero-valent iron (NZVI) lignin sulfonate humate quartz sand remediation
Schlagwörter
(Deutsch)
Aquifermodifikation Pre-Injektion nanoscale zero-valent iron (NZVI) Ligninsulfonat Humat Quarzsand
Autor*innen
Florian Rupert Marko
Haupttitel (Englisch)
Improving the mobility of nanoscale zero-valent iron in granular matrix by means of aquifer modification
Paralleltitel (Deutsch)
Verbesserung der Mobilität von nanoscale zero-valent iron in granulärer Matrix durch Aquifermodifikation
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
IV, 43 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Thilo Hofmann
AC Nummer
AC13038386
Utheses ID
34680
Studienkennzahl
UA | 066 | 815 | |