Simulace transportu Pb a Zn půdním profilem po aplikaci syntetického oxidu manganu (AMO)

Bc. Petr Ouředníček

Diplomová práce

Simulation of Pb and Zn transport through the soil profile after amorpreous manganize oxide (AMO) treating

Anotace:

Půdy, které jsou kontaminovány potenciálně rizikovými kovy či metaloidy z různých zdrojů, jsou ožehavým tématem a aktuálním problémem současné doby. Konvenční metody sanace těchto půd jsou obecně velmi finančně a časově nákladné. Z tohoto důvodu byla zkoumána alternativní a potenciálně velmi účinná sanační metoda, tj. použití sorbentu, který dokáže stabilizovat mobilní formy těchto kovů a zamezit tak jejich využití rostlinami či migraci do podzemních vod. Vzhledem k nenáročné přípravě byl jako sorbent testován amorfní hydratovaný oxid manganu (AMO). Tento materiál byl aplikován do půdy vysoce kontaminované sledovanými kovy (2500 mg/kg Pb a 4500 mg/kg Zn). Byly provedeny vsádkové sorpční experimenty. Účinnost sorpce při použití AMO v kombinaci s půdou, byla přibližně 98% pro Pb a 67% pro Zn. Zinek se v případě nepoužití AMO z půdy pouze desorboval. Provedené kolonové experimenty a následné statistické testy prokázaly signifikantní stabilizaci sledovaných polutantů při extrakci kolony loužicími činidly, kdy při srovnání půdy ošetřené AMO a kontroly bez ošetření, byla extrakce Zn z kolony v průměru o 36% nižší a v případě Pb o 56%. Extrakce rozpuštěného organického uhlíku z kolony s ošetřenou půdou, byla vyšší v průměru pouze o 12%. Saturační část kolonových experimentů prokázala statisticky významné navýšení sorpční kapacity, kdy po 82 hodinách sycení půdy polutanty, bylo dosaženo v průměru pouhých 27% maximální sorpční kapacity (x v průměru 6% překročení maximální sorpční kapacity u kontroly bez ošetření AMO). Byl kalibrován a validován transportní model (Hydrus 1D), kdy následná krátkodobá predikce potvrdila laboratorní měření, tj. u půdy ošetřené sorbentem bylo dosaženo maximální sorpční kapacity při modelovaném nepřetržitém průtoku kontaminantů (754,1 ml/den; 10,6 mM roztokuPb a 5mM roztokuZn) v průměru o 8 dní pomaleji. Při simulaci extrakce půdního profilu kolony nepřetržitou srážkou (754,1 ml/den), byla půda s AMO schopna stabilizovat sledované kovy v průměru o 20 dnů déle. Bylo modelováno zastoupení hlavních forem sledovaných prvků a potenciální vysrážení fází a minerálu pomocí speciačního modelu (PHREEQC 3) a popsány rozdíly v zastoupení hlavních forem sledovaných prvků a potenciálně vysrážených fází. Provedené experimenty, statistické testy a simulace modelů potvrzují hypotézu, že AMO je schopno zvýšit sorpční účinnost, stabilizovat kontaminanty v půdě a zpomalit jejich extrakci. Amorfní oxid manganu je tedy potenciálně účinným sorbentem, který by měl být testován v experimentech s reálnými přírodními podmínkami pro možnost využití této látky při rozsáhlých sanacích půdy kontaminované rizikovými kovy.

Abstract:

Contaminated soils by various resources of potentially toxic metals/metalloids are actually introducing thorny and problematic issues nowadays. Conventional methods of remediation of such soils are very expensive and time-consuming. Potentially very effective and alternative remediation methods using sorbent, which can stabilize mobile forms of pollutants thus preventing their usage in plants or leaching to groundwater table, was therefore investigated. Amorphous manganese oxide (AMO) was tested as relatively easy made sorbent. The AMO was applied to experimental prepared soil, heavily polluted by following concentration of metals (2500 mg/kg for Lead and 4500 mg/kg for Zinc). Batch experiments were performed. Sorption efficiency in soils treated by AMO was achieved approximately 98% for Lead and 67% for Zinc, respectively. Nevertheless, continuous desorption of Zinc was detected in soils without treatment. Column experiments and statistical tests were also performed. Here significant stabilization of observed pollutants during extraction experiments by leaching agents was demonstrated. The average extraction of Zn in AMO treated soil was decreased by 36% (by 56 % in case of Pb) in comparison with untreated soil. On the other side, extraction of dissolved organic carbon in AMO treated soil was increased only by 12%.Statistically significant increment of sorption capacity was demonstrated during column saturation by experimental solutions. Only 27% of maximum sorption capacity in AMO treated soil was reached after 82 hours of saturation (versus 6% exceeding of maximal sorption capacity in untreated soil) in average. The transport model (HYDRUS 1D) was calibrated and validated by prediction of following laboratory tests. In AMO treated soil, the maximal sorption capacity during modelled constant surface solute flux (751.4 ml/day, 10.6 mM Pb and 5 mM Zn solution) was reached by 8 days later in average compared to untreated soil. Significant stabilization of followed metals was detected in long experiment (27 days x 7 days in untreated soil) in AMO treated soil during simulation of continual constant water flux (754,1 ml/day). Speciation modelling (PHREEQC 3) was used for specification of followed elements and their forms and significant differences (AMO x control) were described. Performed experiments, statistical evaluations and mathematical modeling confirmed hypothesis that AMO significantly enhanced sorption capacity in soil and soil pollutants are stabilized and delayed in their extraction. Amorphous manganese oxide seems to be potentially very efficient sorbent, which should be further tested in field experiments under real natural conditions in order of future utilization of this matter in extensive remediation in highly metals/metalloids contaminated soils.

Klíčová slova

AMO, vsádkové experimenty, kolonové experimenty, speciační model, modelování transportu půdním profilem, toxické kovy, Pb, Zn

Keywords

batch experiments, column experiments, speciation model, soil profile transport modelling, toxic metals, AMO, Lead, Zinc

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 23. 4. 2015

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Mgr. Lukáš Trakal, Ph.D.

Česká zemědělská univerzita v Praze

Fakulta životního prostředí

Magisterský studijní program / obor:
Krajinné inženýrství / Environmentální modelování