AIT Austrian Institute of Technology Projekt NanoSan Schadstoffabbau und Reaktivität von nanopartikulärem Eisen Philipp Schöftner, Georg Waldner, Thomas Reichenauer Gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und Wasserwirtschaft Förderungsmanagement by Kommunalkredit Public Consulting GmbH

Ziele

Ziele Untersuchung der Reaktionseigenschaften von Nanoeisen mit TCE in Abhängigkeit von: den verwendeten Partikeln Nanofer Star Nanofer 25 Nanofer 25S Kompositpartikel RNIP den Experimentalbedingungen Wasserchemie (Typ 9 Wasser) Sauerstoff (gelöst) Reaktionstemperatur (12 oC) Polyelektrolyten (Ligninsulfonat, Carboxymethylcellulose) Eisenmenge (1, 2,5 und 4,6 g/l Fe(0)) Partikelalterung (60 Reaktionstage)

Methodik

Verwendete Partikel Nanofer Star-PVA-CS- Kompositpartikel RNIP Liu et al., 2005 Nanofer Star

Reaktivitätsversuche 13.11.2018

Partikelcharakterisierung TEM – Transmissionselektronenmikroskop Mößbauerspektroskopie XRD – Röntgendiffraktion AAS – Atomabsorptionsspektrometrie 13.11.2018

Resultate

Partikelcharakterisierung Fe(0) / FeGesamt der Partikel NF 25 79 ± 20 % NF 25S 74 ± 19 % NF Star 75 ± 22 % Kompositpartikel 57 ± 17 % RNIP 15 ± 03 % Core-Shell Struktur NF Star Kompositpartikel Fe(0) Eisenoxide vor der Reaktion und nach Oxidation von ~50 % des Fe(0) Kernes   Magnetit Goethit superpar. Amakinit Fe3O4 FeO(OH) Fe (OH)2 [%] vor der Reaktion NF Star 69 28 3 Kompositpartikel 29 65 5 oxidierte Partikel 20 43 37 24 32 44 Fe2+ gelöst in den Suspensionen 7 ± 5 mg/L

Reaktionseigenschaften von Nanofer Partikeln TCE Abbau H2 Bildung und Fe(0) Oxidation Elektroneneffizienz pH-Wert ORPH TCE H2 [%] [mV] Star 3,3 ± 1,5 85 ± 47 8,6 ± 0,1 -440 ± 20 25 2,9 ± 0,2 137 ± 43 8,1 ± 0,2 -287 ± 74 25S 3,4 ± 0,2 97 ± 4 8,4 ± 0,2 -301 ± 101

TCE und H2 Elektroneneffizienzen Reaktionseigenschaften von Kompositpartikeln kTCE,obs TCE und H2 Elektroneneffizienzen

Reaktionseigenschaften von RNIP Partikeln TCE Abbau H2 Bildung und Fe(0) Oxidation Abbauprodukte und pH-Werte der Reaktionen Ethen Ethin Ethan pH-Wert [%] RNIP 25 ± 6 67 ± 7 8 ± 1 6,3 ± 0,4 Star 84 ± 5 1 ± 1 15 ± 4 5,9 ± 0,4

TCE-Elektroneneffizienz H2-Elektroneneffizienz Einfluss von Umweltbedingungen kTCE,SA TCE-Elektroneneffizienz kH2,SA H2-Elektroneneffizienz pH ORP   [mV] Referenz 8.7 ± 0.6 -334 ± 151 MQ 6.9 ± 1.1 -42 ± 151 LS 8.9 ± 0.6 -267 ± 172 CMC 8.8 ± 0.3 -310 ± 229 12 °C 8.3 ± 0.6 -205 ± 100 O2 8.6 ± 0.5 -31 ± 308 

Einfluss der TCE Konzentration TCE Elektroneneffizienz von Nanofer Partikeln Kritische Konzentration < 3,5 mg/l für Nanofer Partikel < 7,5 mg/l für Kompositpartikel TCE Elektroneneffizienz von Kompositpartikeln

Ergebnisse der Batchversuche Modellsubstanz Iopromid Iopromid Röngtenkontrastmittel Nicht flüchtig Weniger toxisch als TCE Iopromid Endabbauprodukt 3H+, 6e- 3 I- IP: 3Fe0 + C18H24I3N3O8 + 3H+  C18H27N3O8 + 3I- + 3Fe2+ TCE: 3Fe0 + C2HCl3 + 3H+  C2H4 + 3CI- + 3Fe2+ Ergebnisse der Batchversuche Iopromid reagiert um 1000mal schneller mit Fe(0) als TCE Nanofer 25 > Nanofer 25S > Nanofer Star

Säulenversuche Iopromid Iopromid-Konzentration: 100 mg/L und 1 g/L Nanofer 25S Fe(0)-Konzentration: 1, 2,5, 5, 10 g/L Grundwassergeschwindigkeit: 1,5 m/d und 8,5 m/d Iopromid und Abbauprodukte verhalten sich wie der Tracer Br- Kein Unterscheid zwischen Quarz- und Carboantsand (Reaktionskonstante 4*10-4 L/(h*m2)) In pH 7-gepuffertem Wasser wird Iopromid schneller abgebaut als im Typ 9 Wasser Stärkere H2 Entwicklung bei mit pH 7-gepuffertem Wasser TYP 9 HEPES

Schlussfolgerungen

Schlussfolgerungen Kompositpartikel sind vielversprechend für die Sanierung mit Nanoeisen Steuerung der (Langzeit-)Reaktivität Anreicherung des Schadstoffes (Sorption + Reaktion) bessere Selektivität für Zielschadstoff Die Nanofer Partikel reagieren im Vergleich zu anderen Nanoeisenpartikeln (RNIP, Toda Kogyo, Japan) deutlich mehr mit Wasser (unter Wasserstoffbildung) als mit dem Schadstoff. Die Selektivität für den Schadstoff muss verbessert werden, um eine erfolgreiche und effiziente Sanierung zu gewährleisten 2H2O + Fe0 → H2 + Fe2++2OH- TCE

Schlussfolgerungen → Die Umweltparameter beeinflussen die Reaktionskonstanten, jedoch nicht die Effizienz der Sanierung. → Der Einsatz von Nanoeisenpartikeln in oxischen Aquiferen ist ohne Vorbehandlung des Aquifers nicht zielführend. Neben dem erhöhten Fe(0)- Bedarf kann es zu einer Passivierung der Partikel kommen. °C CH2CO2H HCO3- NO3- O2 O2 TCE → Die Coinjektion von Polyelektrolyten beeinträchtigt die Effizienz des Dehalogenierungsprozesses nicht.

Offene Fragen

Offene Fragen 1.) Reaktivität von (Nano)Eisenpartikel: → Aufklärung der Gründe für die beobachteten Unterschiede zwischen Eisenpartikel unterschiedlicher Hersteller: Strukturmineralogische Unterschiede Einfluss von Fremdstoffen (z.B. Eisensulfide) → Erhöhung der Selektivität für den Schadstoff: Partikelsynthese Partikelmodifikation . Fe0 RCl +H+ RH +Cl- 2H20 H2+OH- 2.) Kombination mit anderen Sanierungsverfahren: → gezielte Kombination mit mikrobiellen Verfahren → Verwendung des entstehenden H2 als Elektronendonor