Posouzení stabilizace kontaminantů v půdě pomocí nanoželeza v závislosti na pH a čase

Bc. Simona Rákosová

Master's thesis

The assessment of contaminant stabilisation in soil using nano-zero valent iron as a function of pH and time

Abstract:

Aplikace nano-sorbentů je nově se rozvíjející metodou pro odstraňování rizikových prvků z prostředí (respektive jejich imobilizaci), která je velmi efektivní a šetrná k životnímu prostředí. Tato studie je zaměřena na využití nanoželeza (nZVI) jako sorbentu rizikových prvků v půdním prostředí. Výhodou aplikace elementárního nanoželeza je především vysoká reaktivita a velký měrný povrch nanočástic, které zvyšují účinnost záchytu kontaminantů. Cílem studie bylo (i) zjistit vyluhovatelnost rizikových prvků ze dvou kontrastních půd v závislosti na pH a na čase a(ii) posoudit účinnost chemické stabilizace kontaminovaných půd pomocí nZVI. Pro testy byla zvolena půda z aluvia řeky Litavky (Příbram) silně kontaminovaná prvky jako Pb, Zn, Cd a As následkem intenzivní metalurgické činnosti v minulosti a kontrastní půda přirozeně kontaminovaná arsenem z lokality Mokrsko. Experimenty byly prováděny v laboratorních podmínkách v kontaminované půdě (dle metodiky CEN/TS 14997 - pH-statický loužicí test) ve dvou variantách: (i) půda s přídavkem nZVI a (ii) kontrolní půda bez přídavku nZVI. Pro všechny experimenty bylo použito nanoželezo NANOFER STAR od společnosti NANO IRON s.r.o. Experiment probíhal při pH 4, 5, 6, 7, 8 a v přirozeném pH půdy v časech 48 a 192 hodin, aby bylo zaručeno rovnovážné pH. Kadmium, olovo i zinek vykazovaly podobný charakter loužení. Maximální koncentrace těchto prvků byly v kyselém prostředí, směrem k neutrálnímu pH klesaly a opět se zvyšovaly v alkalickém prostředí. Naopak nejvíce arsenu se uvolnilo právě v zásaditém prostředí. V této práci byl dokázán vliv aplikace nZVI na stabilizaci As. Významný pokles v koncentraci As v obou experimentálních půdách byl patrný pro obě varianty času (48h a 192h), přičemž pravděpodobné minerály řídící rozpustnost a sorpci As jsou skorodit (FeAsO4.2H2O) a goethit (FeOOH). Pro půdu Litavka byly prokázány statisticky významné rozdíly v koncentraci Pb a Zn v půdě ošetřené nZVI a kontrolní půdě pouze pro pH 4 a variantu 48h, nicméně v půdě Mokrsko došlo k poklesu koncentrace a stabilizaci Pb (pH 5 a 6, 192h test) a Zn (pH 6, 192h test), kdy pravděpodobně docházelo k adsorpci na povrchy oxyhydroxidů Fe, popř. s oxidy a uhličitany. Pro obě půdy byl patrný trend ve vyluhování prvků v závislosti na čase, kdy výluhy testované 192h obsahovaly obecně více zkoumaného prvku, než výluhy testované 48h. Statisticky významný rozdíl byl však prokázán jen pro určité varianty. Vyluhovatelnost rizikových kovů v půdě závisí na typu kontaminace a obecně se uvolňování kationtů kovů zvyšuje s klesajícím pH a rostoucím časem, zatímco loužení aniontových forem se s klesajícím pH snižuje. Aplikace nZVI do půdy je inovativní metoda, vyžadující detailní výzkum chování nanoželeza v čase a v různých podmínkách prostředí.

Abstract:

Application of nano-sorbent materials is a new and fast developing technique for remediation (or immobilization) of the risk elements in the environment. This study is focused on the use of nanoiron (nZVI) as a potential sorbent of the risk elements in soils. The advantage of the application of nano zero-valent iron is especially high reactivity and large specific surface area of nanoparticles, which increase the efficiency of the contaminant stabilisation. Objectives of this study were (i) to determine the leaching behaviour of risk elements in two contrasting soils as a function of pH and time and (ii) to assess the efficiency of the chemical stabilization of contaminated soils by using nZVI. The following experimental materials w chosen: a soil from the alluvium of Litavka river (Příbram, Czech Republic), heavily contaminated by elements such as Pb, Zn, Cd and As as a result of intensive metallurgical activity in the past and contrasting soil naturally contaminated with arsenic from the area of Mokrsko (Czech Republic). Experiments were performed under laboratory conditions with contaminated soil (according to methodology CEN/TS 14997 - pH-static leaching test) in two variants: (i) soil with application of nZVI and (ii) a control soil without the application of nZVI. Nanoiron NANOFER STAR by the NANO IRON Ltd. company (Czech Republic) was used for all experiments. The experiment was performed at pH 4, 5, 6, 7, 8 and at the natural soil pH for 48 and 192 hours to maintain the equilibrium pH. Cadmium, lead and zinc showed a similar leaching pattern. The maximum concentrations of these elements were observed in the acidic environment, decreasing towards neutral pH and increased again in the alkaline conditions. In contrast, arsenic was released under alkaline conditions. In this study, the influence of nZVI application to stabilize As was demonstrated. A significant decrease in the concentration of As was observed in both experimental soils for both contact times (48h and 192h), with scorodite (FeAsO4.2H2O) and goethite (FeOOH) as potential mineral phases controlling the solubility and sorption of As. Changes in leaching behaviour of Pb and Zn for Litavka soil (with nZVI and control soil) was statistically significant for pH 4 and test 48h only; however, decreasing concentration and stabilisation of Pb (pH 5 and 6, 192h test) and Zn (pH 6 192h test) was observed in the Mokrsko soil, which are likely to adsorb on Fe oxyhydroxide surfaces or co-precipitate with the oxides and carbonates. Noticeable trend in the leaching of specific elements was observed as a function of time (solution treated 192h contained higher concentrations of the element than solution treated 48h) but statistically proved only in certain tests. The leaching behaviour of the risk metals in the soil depends on the type of contamination, and generally increases with decreasing pH and increasing time. Application of nZVI to the soil is an innovative method, requiring detailed research of nanoiron behaviour over time and under different conditions.

Keywords

nanoželezo, chemická stabilizace, kontaminace půd, pH-stat

Keywords

nanoiron, chemical stabilisation, soil contamination, pH-stat

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 22. 4. 2015

Thesis defence

• Supervisor: Mgr. Martina Vítková, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Science

Master programme / field:
Landscape Engineering / Water in the Landscape