Application of iron-based micro- and nanoparticles for the remediation of contaminated sites in the environment

Doris Schmid

doi:10.25365/thesis.52930

Title (eng)

Parallel title (deu)

Einsatz von eisenbasierten Mikro- und Nanopartikeln zur Sanierung kontaminierter Standorte in der Umwelt

Author

Doris Schmid

Advisor

Thilo Hofmann

Assessor

Mark Wiesner

Wei Chen

Abstract (deu)

Die Verunreinigung des Grundwassers durch organische und anorganische Verunreinigungen ist in den meisten Industrieländern ein aktuelles Umweltproblem. Die Verwendung von Mikro - und Nanopartikeln zur Sanierung wurde in den letzten Jahren als vielversprechende Technik zur Sanierung von besonders kontaminierten Zonen mit chlorierten aliphatischen Kohlenwasserstoffen, wie Trichlorethylen und Tetrachlorethylen, beschrieben. Die hochreaktiven Nullwertigem-Eisen (ZVI) -Teilchen werden in die kontaminierte Zone injiziert, um eine reaktive Zone aufzubauen und Schadstoffe abzubauen. Die Hauptproblematik dieser Sanierungsmethode ist die Einbringung von Nano- und Mikropartikeln in die kontaminierte Zone sowie deren Reaktivität und die Langzeitreaktivität im Untergrund. Das Ziel dieser Dissertation war es die Mobilität und Reaktivität von nullwertigen Eisen Mikro (mZVI) - und Nanopartikeln (nZVI) unter feldrelevanten Bedingungen zu testen und ihren möglichen Einsatz für die in situ Grundwassersanierung zu untersuchen. Im speziellen wurden folgende Themen in dieser Dissertation bearbeitet: (1) die Bewertung der Verwendung von Iopromid als Modellsubstanz durch das Testen der Reaktivität und Reaktionseffizienz von handelsüblichen nZVI-Partikeln unter verschiedenen wasserchemischen Bedingungen, sowie (2), den Einfluss unterschiedlicher Stabilisatoren auf die Stabilität von gemahlenen Eisenpartikelsuspensionen und die davon abhängige Transportfähigkeit und Reaktivität, sowohl modifizierter als auch nicht modifizierter Partikel in verschiedenen porösen Medien und (3) die Bewertung der Wirkung der Vorinjektion eines Polyelektrolyts in sowohl standardisierte als auch natürliche poröse Medien und der Klärung der Frage, ob dadurch die Beweglichkeit der nZVI-Partikel beeinflusst wird, wenn der Polyelektrolyt auf den Kollektorflächen adsorbiert wird.

Abstract (eng)

The contamination of groundwater by both organic and inorganic contaminants is a major environmental concern in most industrialized countries. The large number of contaminated sites in Europe (estimated to be about 2.5 million) has created a need to investigate new methods for cleaning up the subsurface contaminations. The use of micro-particles and nanoparticles for subsurface remediation (often referred to as nanoremediation) has been shown to be a promising technique for cleaning up contaminated zones under difficult conditions. The main challenges faced by nanoremediation methods are the limited mobility of ZVI microparticles and nanoparticles in the subsurface due to their low stability and high attachment affinity, their reactivity, and their longevity. The overall objective of the research for this PhD thesis was to investigate the mobility and reactivity of nanoscale zero-valent iron (nZVI) and microscale zero-valent iron (mZVI) particles. More specifically, the objectives were (1) to evaluate the use of iopromide as a model contaminant compound by testing the reactivity and reaction efficiency of commercially available nZVI particles under different water chemistries, (2) to investigate the influence of different stabilizers on the stability of particle suspensions and on the mobility and reactivity of both modified and pristine milled iron (milled ZVI) particles in various porous media, and (3) to evaluate the effect of pre-injecting a polyelectrolyte into both standardized and natural porous media, and whether or not the mobility of the nZVI particles is enhanced if the polyelectrolyte is adsorbed onto the collector surfaces.

Keywords (eng)

column reactoriopromideNanofernanoscale zero-valent ironreactivityagar agarparticle stabilityparticle transportparticle reactivitypolyelectrolyte

Keywords (deu)

NanoferNanopartikelReaktivitätIopromidSäulenexperimenteAgar AgarPartikelstabilitätPartikeltransportPolylektolyteHumat

Subject (deu)

Umweltgeologie, Geoökologie

Subject (deu)

Umweltchemie

Subject (deu)

Kolloidchemie, Grenzflächenchemie

Type (deu)

Dissertation

Persistent identifier

https://phaidra.univie.ac.at/o:1345299

DOI

10.25365/thesis.52930

URN

urn:nbn:at:at-ubw:1-28867.51542.932182-3

URI

https://utheses.univie.ac.at/detail/46764

Extent (deu)

VI, 121 Seiten : Illustrationen, Diagramme

Number of pages

135

Study plan

Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Environmental Sciences)

[UA]

[796]

[605]

[299]

Association (deu)

Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie

Title (eng)

Application of iron-based micro- and nanoparticles for the remediation of contaminated sites in the environment

Parallel title (deu)

Einsatz von eisenbasierten Mikro- und Nanopartikeln zur Sanierung kontaminierter Standorte in der Umwelt

Author

Doris Schmid

Abstract (deu)

Die Verunreinigung des Grundwassers durch organische und anorganische Verunreinigungen ist in den meisten Industrieländern ein aktuelles Umweltproblem. Die Verwendung von Mikro - und Nanopartikeln zur Sanierung wurde in den letzten Jahren als vielversprechende Technik zur Sanierung von besonders kontaminierten Zonen mit chlorierten aliphatischen Kohlenwasserstoffen, wie Trichlorethylen und Tetrachlorethylen, beschrieben. Die hochreaktiven Nullwertigem-Eisen (ZVI) -Teilchen werden in die kontaminierte Zone injiziert, um eine reaktive Zone aufzubauen und Schadstoffe abzubauen. Die Hauptproblematik dieser Sanierungsmethode ist die Einbringung von Nano- und Mikropartikeln in die kontaminierte Zone sowie deren Reaktivität und die Langzeitreaktivität im Untergrund. Das Ziel dieser Dissertation war es die Mobilität und Reaktivität von nullwertigen Eisen Mikro (mZVI) - und Nanopartikeln (nZVI) unter feldrelevanten Bedingungen zu testen und ihren möglichen Einsatz für die in situ Grundwassersanierung zu untersuchen. Im speziellen wurden folgende Themen in dieser Dissertation bearbeitet: (1) die Bewertung der Verwendung von Iopromid als Modellsubstanz durch das Testen der Reaktivität und Reaktionseffizienz von handelsüblichen nZVI-Partikeln unter verschiedenen wasserchemischen Bedingungen, sowie (2), den Einfluss unterschiedlicher Stabilisatoren auf die Stabilität von gemahlenen Eisenpartikelsuspensionen und die davon abhängige Transportfähigkeit und Reaktivität, sowohl modifizierter als auch nicht modifizierter Partikel in verschiedenen porösen Medien und (3) die Bewertung der Wirkung der Vorinjektion eines Polyelektrolyts in sowohl standardisierte als auch natürliche poröse Medien und der Klärung der Frage, ob dadurch die Beweglichkeit der nZVI-Partikel beeinflusst wird, wenn der Polyelektrolyt auf den Kollektorflächen adsorbiert wird.

Abstract (eng)

The contamination of groundwater by both organic and inorganic contaminants is a major environmental concern in most industrialized countries. The large number of contaminated sites in Europe (estimated to be about 2.5 million) has created a need to investigate new methods for cleaning up the subsurface contaminations. The use of micro-particles and nanoparticles for subsurface remediation (often referred to as nanoremediation) has been shown to be a promising technique for cleaning up contaminated zones under difficult conditions. The main challenges faced by nanoremediation methods are the limited mobility of ZVI microparticles and nanoparticles in the subsurface due to their low stability and high attachment affinity, their reactivity, and their longevity. The overall objective of the research for this PhD thesis was to investigate the mobility and reactivity of nanoscale zero-valent iron (nZVI) and microscale zero-valent iron (mZVI) particles. More specifically, the objectives were (1) to evaluate the use of iopromide as a model contaminant compound by testing the reactivity and reaction efficiency of commercially available nZVI particles under different water chemistries, (2) to investigate the influence of different stabilizers on the stability of particle suspensions and on the mobility and reactivity of both modified and pristine milled iron (milled ZVI) particles in various porous media, and (3) to evaluate the effect of pre-injecting a polyelectrolyte into both standardized and natural porous media, and whether or not the mobility of the nZVI particles is enhanced if the polyelectrolyte is adsorbed onto the collector surfaces.

Keywords (eng)

column reactoriopromideNanofernanoscale zero-valent ironreactivityagar agarparticle stabilityparticle transportparticle reactivitypolyelectrolyte

Keywords (deu)

NanoferNanopartikelReaktivitätIopromidSäulenexperimenteAgar AgarPartikelstabilitätPartikeltransportPolylektolyteHumat

Subject (deu)

Umweltgeologie, Geoökologie

Subject (deu)

Umweltchemie

Subject (deu)

Kolloidchemie, Grenzflächenchemie

Type (deu)

Dissertation