Einsatz von Nanopartikeln in der in situ Grundwassersanierung
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Elisabeth NEUBAUER
The behaviour, transport and toxicity of nanoparticles in the aquatic environment
Department of Environmental Geosciences - University of Vienna, Austria
Einsatz von Nanopartikeln in der in situ Grundwassersanierung
Thilo Hofmann
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Effekte und Verhalten von TiO2 Nanopartikeln in der aquatischen Umwelt
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Boden- und Grundwasserkontaminationen
~3 Millionen potentiell kontaminierte Flächen in Europa → davon nur ~81,000 saniert (European Environment Agency, 2007)
http://soer.justice.tas.gov.au
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Effekte und Verhalten von TiO2 Nanopartikeln in der aquatischen Umwelt
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CKW KontaminationenChlorierte Kohlenwasserstoffe = Dense Non-Aqueous Phase Liquids (DNAPLs)DNAPLs bilden im Untergrund Phasenkörper aus → kontinuierliche Schadstoffabgabe → Langzeitkontamination
Nach Mackay und Cherry (1989)
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Effekte und Verhalten von TiO2 Nanopartikeln in der aquatischen Umwelt
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Konventionelle SanierungsverfahrenPump & Treat+ Standardverfahren zu Sanierung von mit CKW kontaminierten Grundwasserleitern
- Langsame Auflösung der Phasenkörper, langsame Desorption/Diffusion- CKW-Akkumulierung in weniger durchlässigen Schichten- Sanierung der Schadstofffahne
→ reduzierte Effektivität→ Sanierungszielwerte häufig nicht erreicht
US EPA, 1990
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Innovative Sanierungsverfahren
Erhöhung der SanierungseffizienzBasieren auf physikalischen, chemischen und biologischen Prozessen
Beispiele für mit CKW kontaminierte Standorte:AlkoholspülungIn situ chemische OxidationReaktive WändeThermische in situ Verfahren
Sanierung mit Nanopartikeln
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Sanierung mit Nanopartikeln
Einsatz von NanopartikelnPartikelgröße 50-100 nmSpezifische Oberfläche > 20 m2 g-1
→ Schnelle Reaktion mit Schadstoffen
NanomaterialienBimetallische NanopartikelMetalloxideZeolitheCarbo-Iron
Nullwertige Nanoeisenpartikel
WirkmechanismenOxidationReduktionAdsorption
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Sanierung mit Nanoeisenpartikeln
Nullwertiges Eisen = starkes Reduktionsmittel
Reaktion mit unterschiedlichen SchadstoffenPestizide PharmazeutikaSchwermetalle
CKWs
http:// nanotech.dtu.dk
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Sanierung mit Nanoeisenpartikeln
Reduktion der Schadstoffquelle → Schaffung einer reaktiven Zone im Zentrum und im direkten Abstrom des Schadensherdes
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Sanierung mit Nanoeisenpartikeln
VorteileSanierung von unterschiedlichen Schadstoffen Sanierung der SchadstoffquelleSchwer zugängliche Standorte
unter Gebäuden, Industriegebieten, tiefgründig kontaminierte Standorte, geklüftete Aquifere
HerausforderungenLangzeit-/Reaktivität der Partikel
Partikeleigenschaften, Selektivität für den Zielschadstoff
Einbringung der Partikel in den UntergrundInjektionstechnik, Transportverhalten
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NanoeisenpartikelPartikeleigenschaftenPartikelgröße, Dichte, Oberflächenladung,... beeinflussen Stabilität
Hydrochemische Bedingungen am Standort pH-Wert, Ionenstärke, Grundwasserzusammensetzung,…beeinflussen Stabilität
Stabilität und Dispergierbarkeit der Nanoeisenpartikel in wässrigen Suspensionen ist entscheidend.
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Reaktivität der NanoeisenpartikelReaktivität ist abhängig vonPartikeleigenschaften Oberflächenmodifikation, Fe(0)-Gehalt, PartikelgrößeHydrochemischen BedingungenpH-Wert, Grundwasserzusammensetzung, Ionenstärke
Erhöhung der Selektivität der Nanoeisenpartikel für den Zielschadstoff.
Fe0
RCl +H+
RH +Cl-
2 H2O
H2 + 2OH-
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Einbringung der NanoeisenpartikelErfolgreiche Einbringung ist abhängig vonInjektionsverfahrenTransportverhalten
InjektionsverfahrenInjektion über GrundwassermessstelleDirect-Push-InjektionDruckinjektionHydraulisches, pneumatisches „Fracken“
Vor- und Nachteile verschiedener Injektionsverfahren nicht bekannt.
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Transportverhalten in porösen Medien ist abhängig vonPartikeleigenschaftenOberflächenmodifikation, Partikelgröße Hydrochemischen und hydrogeologischen Bedingungen Grundwasserzusammensetzung, Ionenstärke, Aquifermaterial
Einfluss von Ladungsheterogenitäten im Aquifermaterial auf das Transportverhalten der Nanoeisenpartikel bisher kaum untersucht.
Einbringung der Nanoeisenpartikel
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Sanierung von CKW Kontaminationen im Grundwasser unter Verwendung von
nanopartikulärem Eisen
Projektleitung Universität Wien
Kooperationspartner: Austrian Institute of Technology
Das Projektes NanoSan
Gefördert aus Mitteln des Bundesministeriums für Land- und Forstwirtschaft, Umwelt und WasserwirtschaftFörderungsmanagement: Kommunalkredit Public Consulting GmbH
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Ziel:
Weiterentwicklung und Implementierung der Nanoeisentechnologie als Sanierungsverfahren in
Österreich
Das Projektes NanoSan
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Situation in Österreich
Angewandte Sanierungsverfahren: Räumung/Aushub, Pump & Treat, Bodenluftabsaugung
Sanierung mit Nanoeisen = Technologie mit Entwicklungsbedarf
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Labormaßstab großskalige Pilotanwendung Versuche in Österreich
Projekt NanoSan
Entwicklung der Nanoeisentechnologie
2013
2011
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• Synthese von multifunktionalen Nanopartikeln (Kompositpartikel) mit optimalen Eigenschaften in Bezug auf Langzeit-/Reaktivität und Transport
• Bewertung des Transportverhaltens und der Reaktivität von Nanoeisenpartikeln in Abhängigkeit der hydrochemischen und hydrogeologischen Bedingungen in Österreich
Ziele des Projektes NanoSan
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Einsatzbedingungen in Österreich
Grobklastisches Material, hohe Durchlässigkeit → kf ~ 10-2 m/s (100 x höher als in Grundwasserleitern in z.B. Norddeutschland, Holland,…)
Hoher Anteil an Carbonat → pH-Wert, LadungsheterogenitätenErdalkalisch - carbonatische Wässer → hohe Ca2+ und Mg2+ Konzentrationen (beeinflussen Partikelstabilität)
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Arbeitspakete im Projekt NanoSan
AP1 - Herstellung von multifunktionalen Nanopartikeln
AP2 - Transportverhalten von nanopartikulärem Eisen
AP3 - Schadstoffabbau und Reaktivität von nanopartikulärem Eisen