Stabilizace kovů a polokovů v kontaminovaných půdách pomocí elementárního nanoželeza

Bc. Pavel Moskaljuk

Master's thesis

Stabilization of metals and metalloids in contaminated soils using nano zerovalent iron

Abstract:

Znečištění půdy rizikovými kovy se dnes řadí mezi jedny z nezávažnějších environmentálních problémů. Z tohoto důvodu je potřeba studovat nové moderní remediační postupy, které by mohly tento celosvětově rozšířený problém vyřešit. V této práci byla využita moderní nanoremediační technika, při které se aplikují nanomateriály do vysoce kontaminovaných půd. Pro experiment bylo vybráno povrchově neupravené elementární nanoželezo (nZVI) a sulfidicky modifikované nanoželezo (S-nZVI). Kontaminovaná půda využitá v experimentu byla odebrána v aluviu řeky Litavky, které se vyznačuje nadlimitním znečištěním Zn, Cd, As a Pb. Studie byla primárně zaměřena na vyhodnocení stabilizačních účinků obou nanomateriálů na dostupnost vybraných rizikových (polo)kovů v půdě. To bylo provedeno pomocí extrakce deionizovanou vodou pro vzorky inkubované v polních podmínkách po dobu od 1 dne až do 5 měsíců. Pro stanovení půdních vlastností byly pro stejné vzorky stanoveny hodnoty aktivního a výměnného pH. Alterace nanomateriálů samotných v půdním prostředí byly kvantifikovány pomocí standardních extrakcí zaměřených na kvantifikaci množství amorfních a krystalických (hydr)oxidů Fe. Z výsledků zaměřených na vyluhovatelnost kovů se nZVI i S-nZVI prokázaly jako velmi účinná stabilizační činidla, která v dávce 2,5 % dokázala v krátkodobém i dlouhodobém horizontu snížit vyluhovatelnost Zn a Cd. V případě Pb se jako účinnější jeví S-nZVI, které oproti nZVI dokázalo udržovat koncentrace vyluhovaného Pb pod mezí kontroly. Vzhledem k velkému rozptylu výsledků nebylo možné jednoznačně posoudit vyluhovatelnost As. Z dalších výsledků vyplývá, že přítomnost nanomateriálů v půdních vzorcích zvyšuje přirozené pH půdy. Změny pH mají značný vliv na stabilizaci rizikových kovů, což se prokázalo u nZVI i S-nZVI. Také se ukázalo, že v průběhu stárnutí nanomateriálů dochází ke sníženému uvolňování Fe. To však neplatí v případě S, kdy s přibývajícím časem především S-nZVI uvolňuje zvýšené koncentrace S. Co se týče alterací aplikovaných materiálů samotných, u neupraveného nZVI dochází s přibývajícím časem k rychlejší transformaci na krystaličtější formy Fe, indikující zrychlené stárnutí materiálu. Tato práce naznačuje, že použití nZVI a S-nZVI by mohlo být vhodnou remediační technologií vedoucí ke snížení negativních dopadů rizikových kovů v půdách.

Abstract:

Soil pollution by hazardous metals is one of the most serious environmental problems today. For this reason, it is necessary to study new modern remediation procedures that could solve this widespread problem worldwide. In this work, a modern nanoremediation technique was used, in which nanomaterials are applied to highly contaminated soils. Bare nano zerovalent iron (nZVI) and sulfidated nZVI (S-nZVI) were selected for the experiment. The contaminated soil used in the experiment was collected in the alluvium of the Litavka river, which is characterized by above-limit concentrations of Zn, Cd, As, Pb. The study was primarily focused on evaluating the stabilizing effects of both nanomaterials on the availability of selected hazardous metal(loid)s in the soil. This was done by deionized water extraction for samples incubated under field conditions for 1 day to 5 months. Active and exchangeable pH values were determined for the same samples to determine soil properties. Alterations of nanomaterials themselves in the soil environment were quantified using standard extractions aimed at quantifying the amount of amorphous and crystalline Fe (hydro)oxides. From the results focused on the leachability of metals, nZVI and S-nZVI proved to be very effective stabilizing agents, being able in a dose of 2,5 % to reduce the leachability of Zn and Cd in the short and long term. In the case of Pb, S-nZVI appears to be more effective, as it was able to keep the concentrations of leached Pb below the control limit compared to nZVI. Due to the large variance of the results, it was not possible to unambiguously assess the leachability of As. Other results show that the presence of nanomaterials in soil samples increases the natural pH of the soil. The pH changes have a significant effect on the stabilization of hazardous metals, which has been demonstrated for both nZVI and S-nZVI. It has also been shown that reduced release of Fe occurs during the aging of nanomaterials. However, this is not the case for S, where over time, S-nZVI releases increased concentrations of S. Furthermore, it should be noted that untreated nZVI transforms more rapidly to more crystalline forms of Fe over time, indicating accelerated aging of the materials, These results suggest that the use of nZVI and S-nZVI could be a suitable remediation technology leading to the reduction of negative impacts of hazardous metals in soils.

Keywords

imobilizace, kadmium, olovo, zinek, arsen

Keywords

imobilization, cadmium, lead, zinc, arsenic

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 3. 2022

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Zuzana Vaňková, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Master programme:
Regional Environmental Administration