Promotionsstipendium: Dr. Ariette Schierz

Anwendung von kolloidaler Aktivkohle zur In-situ-Grundwassersanierung

Kolloidale Aktivkohle zur In-situ-GrundwassersanierungGrundwasser stellt fĂŒr den Menschen sowie fĂŒr die gesamte belebte Umwelt eine essenzielle Ressource dar. In Deutschland werden rund 70 % der bereitgestellten Trinkwassermenge aus Grundwasser gewonnen. Obwohl vorsorgender Grundwasserschutz eine hohe PrioritĂ€t besitzt, können vorhandene GrundwasserschĂ€den nicht ungeschehen gemacht und, realistisch betrachtet, die Entstehung zukĂŒnftiger Belastungen nicht ausgeschlossen werden. Die bisher am hĂ€ufigsten angewendete Technologie zur Behandlung von Grundwasserkontaminationen, die Hebung und oberirdische Behandlung des Grundwassers (sogen. Pump&Treat-Verfahren), hat einen hohen technischen Stand erreicht, erweist sich jedoch in den meisten FĂ€llen als langwierig und kostenintensiv. Als Alternative zu den etablierten Pump&Treat-Verfahren sind in den 90er Jahren passive Verfahren, z.B. ?Reaktive WĂ€nde?, vorgeschlagen und erprobt worden. Unbestrittenen Vorteilen stehen jedoch auch bestimmte Nachteile gegenĂŒber: Neben hohen Investitionskosten fĂŒr die Errichtung der notwendigen unterirdischen Bauwerke treten in der Praxis hĂ€ufig hydraulische Probleme auf. In den bekannten VerfahrensansĂ€tzen zur Grundwasserreinigung wird granulierte Aktivkohle als AdsorberschĂŒttung in Reaktoren oder durchströmten ReinigungswĂ€nden eingesetzt. Im Rahmen des hier beschriebenen Projektes soll ein neues Verfahrenskonzept zur Errichtung einer Sorptionsbarriere durch EinspĂŒlung und Immobilisierung von kolloidaler Aktivkohle in-situ im Aquifer entwickelt werden. Grundlage dafĂŒr sind Kenntnisse ĂŒber das Transportverhalten von Aktivkohlekolloiden im Aquifer und Möglichkeiten, dieses zu beschreiben bzw. zu modellieren. Aktivkohle ist das mit Abstand bedeutendste Sorbens des technischen Umweltschutzes. Aktivkohle zeigt hervorragende Sorptionseigenschaften gegenĂŒber einem breiten Spektrum an organischen Verbindungen und ist aus ökologischer Sicht als unbedenklich einzustufen. Dies ist eine wesentliche Vorrausetzung fĂŒr die GenehmigungsfĂ€higkeit eines in-situ Einsatzes von Aktivkohle im Aquifer. Entsprechend der klassischen Kolloidfiltrationstheorie sind die Transportstrecken von Kolloiden in den meisten Aquiferen bei den ĂŒblichen Grundwasserfließgeschwindigkeiten auf einen Bereich zwischen 100 und 101 m beschrĂ€nkt. Dies gilt selbst fĂŒr Kolloide, fĂŒr die starke abstoßende elektrostatische Wechselwirkungen zwischen den Kolloid- und SedimentoberflĂ€chen zu erwarten sind. Aus der Literatur ist bekannt, dass die MobilitĂ€t von natĂŒrlichen Kolloiden im Aquifer u.a. von der PartikelgrĂ¶ĂŸe und der Dichte der Partikel, der IonenstĂ€rke und dem pH-Wert des Grundwassers, der Netto-OberflĂ€chenladung des Kolloids und der MineralkornoberflĂ€che sowie der Fließgeschwindigkeit abhĂ€ngig ist. Da fĂŒr den Aufbau einer Aktivkohlebarriere eine gewisse Reichweite der Aktivkohlekolloide im Aquifer notwendig ist, mĂŒssen Bedingungen gefunden werden, unter denen die Aktivkohlekolloide eine hohe MobilitĂ€t aufweisen. Mit Hilfe von SĂ€ulenversuchen konnte gezeigt werden, dass die Aktivkohlekolloide unter Verwendung von basischen Fließmitteln (pH ? 10) und in Gegenwart von geringen IonenstĂ€rken potentiell mobil sind. Beim Übergang zu realitĂ€tsnĂ€heren Bedingungen, d.h. mĂ€ĂŸigen IonenstĂ€rken und neutralem pH-Wert des Fließmittels, weisen die Aktivkohlesuspensionen keine genĂŒgende StabilitĂ€t auf bzw. werden die Aktivkohlekolloide bevorzugt immobilisiert. Die Einstellung der erforderlichen Bedingungen fĂŒr eine hohe MobilitĂ€t der nativen Aktivkohlekolloide in einem Grundwasserleiter ist infolge der z.T. hohen PufferkapazitĂ€t von Grundwasser technisch schwer realisierbar. Ebenso gestaltet sich eine totale Absenkung der IonenstĂ€rke auf nahezu null als schwierig. Die Injektion der Aktivkohlekolloide sollte deshalb unter realitĂ€tsnahen Bedingungen erfolgen. Weitere wichtige Steuerungsparameter der KolloidmobilitĂ€t im Aquifer sind die Netto-OberflĂ€chenladung der Aktivkohlekolloide und des Mineralkorns. Unter Grundwasserbedingungen sind die Suspensionen der nativen Aktivkohlekolloide instabil. Im relevanten pH-Wert-Bereich weisen die MineralkornoberflĂ€chen eine negative OberflĂ€chenladung auf. Die Anlagerung von Kolloiden an eine MineralkornoberflĂ€che wird unter unvorteilhaften chemischen Bedingungen durch die elektrostatische Abstoßung bestimmt. Eine Erhöhung der Netto-OberflĂ€chenladung der Aktivkohlekolloide im neutralen pH-Wert-Bereich mĂŒsste sich also positiv auf die StabilitĂ€t der Aktivkohlesuspensionen und auf die MobilitĂ€t der Kolloide auswirken. Die Agglomeration von Kolloidsuspensionen kann durch sterische und elektrostatische Stabilisierung verhindert werden. Es wurden drei Konzepte zur Erhöhung der OberflĂ€chenladung der Aktivkohlekolloide verfolgt: 1. die oxidative Vorbehandlung der Aktivkohle, 2. die ImprĂ€gnierung der Aktivkohle mit anionischen Tensiden und 3. der Zusatz von kohlestĂ€mmigen HuminsĂ€uren. Alle Versuche, die StabilitĂ€t der Aktivkohlesuspensionen und die MobilitĂ€t der Aktivkohlekolloide im neutralen pH-Wert-Bereich und bei geringen IonenstĂ€rken zu erhöhen, fĂŒhrten zum gewĂŒnschten Ergebnis. Die Ergebnisse zeigten, dass die OberflĂ€chenchemie der Aktivkohlekolloide als ein Mittel zur Transportsteuerung betrachtet werden kann. Als optimale Methode ist die Beladung der Aktivkohle mit den kohlestĂ€mmigen HuminsĂ€uren einzuschĂ€tzen. Es konnte gezeigt werden, dass eine gezielte Steuerung der Ablagerung der Aktivkohlekolloide in Gegenwart von HuminsĂ€ure unter Aquiferbedingungen möglich ist. D.h. ModellsandsĂ€ulen wurden gleichmĂ€ĂŸig ĂŒber die gesamte SĂ€ulenlĂ€nge mit kolloidaler Aktivkohle beladen. GegenĂŒber anionischen Tensiden besitzen HuminsĂ€uren außerdem den Vorteil, dass sie natĂŒrliche, nicht toxische Zusatzstoffe darstellen und damit fĂŒr einen praktischen Einsatz besser geeignet sind. Die GenehmigungsfĂ€higkeit eines in-situ Verfahrens auf der Basis von Aktivkohle und HuminsĂ€uren sollte aus umweltrechtlicher Sicht keine Probleme darstellen. DarĂŒber hinaus sind HuminsĂ€uren auch in großen Mengen technisch gut verfĂŒgbar. Die Kosten fĂŒr die benötigten Mengen HuminsĂ€ure wĂŒrden die Kosten fĂŒr die Aktivkohlesuspensionen wahrscheinlich nicht signifikant erhöhen. Um das Konzept der Sorptionsbarriere in Richtung einer Reaktionsbarriere auszubauen, wird der Ansatz verfolgt, die Aktivkohle als TrĂ€ger fĂŒr ReaktivitĂ€t, z.B. durch Aufbringen von Fe(0) auf die AktivkohleoberflĂ€che, zu benutzen. Das Fe/C-System verbindet somit die hervorragenden Adsorptionseigenschaften von Aktivkohle und die reduzierende Wirkung von Eisen.

AZ: 20003/554

Zeitraum

01.01.2004 - 31.12.2006

Institut

UniversitÀt Leipzig
Fachbereich Chemie
Institut fĂŒr Technische Chemie

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Betreuer

Prof. Dr. Helmut Papp