Feldanwendungen von Nanopartikeln zur In-situ-Grundwassersanierung. Universität Wien / AIT 26. Februar 2014 Johannes Bruns

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1 Feldanwendungen von Nanopartikeln zur In-situ-Grundwassersanierung Universität Wien / AIT 26. Februar 2014 Johannes Bruns

2 Inhalt 1. Innovative Grundwassersanierung 2. Partikelanwendung im Feldversuch 3. Standortvoraussetzungen / Standorteignungsbewertung 4. Wirkungsmonitoring 5. Risikobewertung 6. Zusammenfassung 26. Februar

3 Golder Associates International tätige Ingenieurberatungsgesellschaft Gründung des Unternehmens 1960 in Kanada Dienstleistungen im Bereich Umwelt und Geotechnik Weltweit etwa Mitarbeiter in ca. 160 Büros Firmenkapital vollständig im Besitz der Mitarbeiter In Deutschland ca. 60 Mitarbeiter in 4 Büros 26. Februar

4 Innovative Sanierungsverfahren Gründe für die Entwicklung innovativer Sanierungsverfahren zur Grundwassersanierung mittels Nanopartikeln: Kosten- / Zeitaufwand: herkömmliche Sanierungsverfahren (P&T, D&D ) sind zeitintensiv und / oder mit hohen Kosten verbunden Personalkosten (Anlagenbetrieb und -überwachung) Betriebskosten (Infrastruktur, Energieverbrauch) H&S Materialentsorgung Technisches Equipment / Infrastruktur am Standort: Sanierungstechnik einfach und flexibel, betriebliche Infrastruktur / Gebäudebestand nicht störend, keine Betriebsunterbrechung Umweltbelastung: LCKWs werden durch Nanopartikeleinsatz abgebaut und nicht, wie herkömmlich, on- / off-site behandelt (herausgefiltert, adsorbiert, ausgekoffert, deponiert, thermisch behandelt ), daher geringere Umweltbelastung durch Energieeinsparung, Abfallreduzierung, bessere CO2-Bilanz 26. Februar

5 Grundwassersanierung Einsatz von Nano-Materialien zur Schadstoffbeseitigung im GW Derzeit behandelbares Stoffspektrum: LCKW, Metalle; weitere Stoffgruppen in Untersuchung Verwendete Nano-Materialien: nzvi, Kompositmaterialien nzvi: chem. nullwertiges Eisen, hohe spez. Oberfläche, hohe Reaktivität, geringe Mobilität im GWL, Coatings zur Reaktionssteuerung (Pd, Au, Ag ) Carbo-Iron : Kompositstruktur, chemisch keine Einzelsubstanz, Kombination null-wertiger Nano-Eisencluster auf feinstkörniger Aktivkohle, hohe spez. Oberfläche (>50 m²/g), hohe Mobilität im GWL Partikelgröße nm, bei nzvi z.t. Agglomeratbildung Einbringung in den GWL als Partikel / Trinkwasser-Suspension, Stabilisator: CMC / Huminstoffe 200 nm 250 nm Eisencluster > > > > > Tetrachlorethen Trichlorethen cis-1,2-dichlorethen Vinylchlorid Ethen Ethan 26. Februar

6 Carbo-Iron Entwicklung durch UFZ, Department Umwelttechnologie Carbo-Iron : 1 Partikel, 2 Vorteile 1. Adsorption / Anreicherung der LCKWs an der A-Kohle 2. Reduktion des Schadstoffes durch Fe 0 Vorteile Carbo-Iron gegenüber nzvi im Feldeinsatz: gute Benetzbarkeit organischer Phasen hohe Mobilität im GWL durch geringe Oberflächenladung: keine Agglomeration hohe Luftstabilität im trockenen Zustand einfache Handhabung hohe Suspensionsstabilität, LCKW-Abbau vollständig zu Ethan / Ethen Förderung der mikrobiologischen Aktivitäten im Kontaminationsbereich Nachteile Carbo-Iron :? 500 nm Drehrohrofen, UfZ Leipzig Aktivkohle zur Sorption Reaktives Nano-Eisen Carbo-Iron 26. Februar

7 Anwendungshistorie Seit den 1990er Jahren Labor- und Technikumsversuche in NA: LCKW-Abbau durch nzvi Seit 2002 >60 Pilotversuche, Feldanwendungen und Sanierungen in NA Seit 2004 ca. 15 Pilotversuche und Feldanwendungen von nzvi in Europa (D, I, CZ, H) Test-Herstellung von nzvi in den USA, Coatingsversuche Partikel-Injektionen von kg nzvi Alle Feldanwendungen behördlich genehmigt und überwacht Derzeit laufende Anwendungen auf ca. 20 Standorten mit % Schadstoffreduzierung Seit 2010 Beteiligung an Forschungsprojekten Partikelentwicklung Suspensionserstellung Injektionsverfahren Monitoring 26. Februar

8 Forschungsprojekte NANOSIT (UFZ): BMBF-Projekt Eisenbasierte Nanopartikel und Nanokompositstrukturen zur Schadstoffentfernung aus Grund- und Abwässern, Laufzeit , 7 nationale Projektpartner, Golder Associates: Standortbewertung und -auswahl, Abbauversuche, Pilotversuch zur Anwendung von Carbo-Iron, Partikel-Feldanwendungen, Monitoring GW, BL, B, (Mikro)Biologie 55,8 26 Nanosit NANOREM (TU Stuttgart/KIT): EU-Projekt: Taking Nanotechnological Remediation Processes from Lab Scale to End User Applications for the Restoration of a Clean Environment, Laufzeit , 26 internationale Projektpartner, Golder Associates: Standortauswahl, -charakterisierung und Partikel-Feldanwendungen 26. Februar

9 Voraussetzungen Behördliche Genehmigung Gestufte Vorgehensweise Geeignete Technik zur Herstellung der Suspension Standortangepasste Injektionstechnologien und -verfahren Partikeltransport nur über Kurzstrecken, nachgewiesene max. Verlagerung im GWL nzvi: 2 m nzvi coated: 9 m Carbo-Iron : ca. 20 m Verlagerungsverhalten beeinflusst durch Korngröße 3D-Form Oberflächenladung Partikelanwendung im Feldversuch 26. Februar

10 Intensive, gestufte Standort-Voruntersuchung mit zwischengeschalteten Entscheidungspunkten zum weiteren Vorgehen entscheidend für erfolgreiche Partikelanwendung Unzureichende Standortcharakterisierung und Eignungsbewertung führt i.d.r. zu fehlendem / eingeschränktem Sanierungserfolg: gesamte Methode subjektiv als ungeeignet eingestuft Standortanforderungen 26. Februar Partikeleinsatz in Poren- und Kluft-GWL möglich Einfache geologische u. hydrogeologische Strukturen bevorzugt Aquifer oberflächennah, definierte Basis Kontaminationen mit einer oder mehreren Stoffgruppen, idealerweise an verschiedenen Punkten / in verschiedenen Fahnen; Stoff-Mix ungünstig Standortanforderungen

11 Assessment of site suitability Evaluation of geology, hydrogeology, geochemistry, microbiology and contaminant distribution (3D), go / no go lab tests Lab tests Groundwater and sediment investigation, degradation tests, go / no go evaluation, go / no go pilot test Pilot test Localized particle application on site, monitoring, go / no go fild application Standort - Voruntersuchungen Field application Full-scale remediation using tested procedures, monitoring 26. Februar

12 Laborversuche Schadstoffabbau Batch-Versuche / Verwendung von Standortwässern Verschiedene Partikelkonzentration Abbauverlaufsmessung, z.b. LCKW Nitrat Nickel 12

13 Partikelanwendung Festlegung des Anwendungsbereichs (Quelle / Fahne ) Festlegung des Einbringungsverfahrens (Injektion / Infiltration / Kombinationsverfahren / Ring- / Zentralinjektion, Tiefenbezug ) Injektionsplanung Definition Monitoringumfang (GW / BL / B) und Einrichtung Monitoringnetz Technische Partikeleinbringung Wirkungsmonitoring 26. Februar

14 Suspensionsherstellung vor Ort: deoxidiertes Trinkwasser, Partikel, Stabilisator (Methylcellulose / Huminstoffe) Partikelkonzentration gemäß Stoffabbau im Laborversuch, typischer Bereich 2-20 (40) g/l Einsatz geeigneter Suspendierungstechnologie Festlegung des Einbringungsverfahrens (Injektion / Infiltration / Kombinationsverfahren / Ring- / Zentralinjektion ) je nach Schadstoffverteilung und Untergrundbeschaffenheit (Kluft-/Poren-GWL, kf, Kornverteilung ) Injektionsplanung (Brunnen, direct-push-technik ) Technische Partikeleinbringung Suspensionsherstellung & Einbringung 26. Februar

15 ORP [mv] Groundwater Elevation [feet msl] Wirkungsmonitoring Definition Monitoringumfang: Erfassung aller relevanten Kompartimente (GW / BL, B) Einrichtung Monitoringnetz, Festlegung Stichtagsmessungen Wirkungsmonitoring auf Physiko-chemische Parameter (ph, RedOx-Potenzial, Leitfähigkeit, Temperatur, Sauerstoffgehalt) Kontaminanten und potenzielle Abbauprodukte (Ethan / Ethen, TCE, DCE, VC, Wasserstoff, Chlorid ) Bedarfsweise weitere Parameter im Grundwasser Parameter in Bodenluft und Boden nach Bedarf Einsatz von In-situ-Sondenmesstechnik zur Parametererfassung bevorzugt Oxidation Reduction Potential nzvi Injection Day 1 nzvi Injection Day Hydrofracking /12/08 12:00 8/13/08 0:00 8/13/08 12:00 8/14/08 0:00 8/14/08 12:00 8/15/08 0:00 8/15/08 12:00 Date and Time P-5 ORP BNP-4 ORP BNP-3 ORP BNP-2 ORP BNP-2 GW Elevation 26. Februar

16 Konzentration CMT 2-1 [µg/l] CKW Konzentration [µg/l] Monitoringergebnisse NANOSIT Bodenluft Grundwasser Abbauverlauf Apr. 12 Mai. 12 Jul. 12 Aug. 12 CMT2-1 CKW CMT2-2 CKW Konzentration CMT 2-2 [µg/l] BL/GWM1 CKW PP Apr. 12 Jun. 12 Aug. 12 Okt Februar

17 Concentration TCE (ug/l) Langzeitabbau TCE 350 Injection #1 Injection #2 Injection # Performance criteria 0 02-juil août oct nov janv mars avr juin août sept nov janv-08 Date (JJ-MM-AA) PI-06-1 PI-06-2 PI-06-3 PI-06-4 PI-06-5 PI-06-6 PI-06-7 PI Februar 2014

18 26. Februar Kontaminationsabbau und Degradationsprodukte

19 Risikobewertung Standard-Tests mit Modellorganismen Akute und chronische Partikeltoxizität Partikelinkorporation in Organismen Wirkmechanismen für Fische und Algen Page 26. Februar

20 Fazit Carbo-Iron LCKW-Konzentrationen innerhalb weniger Tage signifikant und dauerhaft abgesenkt Fe 0 -Wirkung durch Wasserstoffbildung nachgewiesen Abbaukette vollständig, Ethan / Ethen im Grundwasser nachgewiesen keine Akkumulation chlorierter Zwischenprodukte (TCE, DCE, VC) Gute Verteilung von Carbo-Iron in der grundwassergesättigten Bodenzone: horizontal ca. 10 m, vertikal ca. 20 m Unterstützung der mikrobiologischen Aktivität im Kontaminationsbereich (ENA) Vermutlich hoher Wirkungsgrad von Carbo-Iron (Massenbilanz in Arbeit) Übertragbarkeit Laborergebnisse auf Geländemaßstab nachgewiesen 26. Februar

21 Zusammenfassung Beseitigung von Schadstoffen in der Umwelt durch Einsatz von Nanopartikeln gewinnt zunehmend an Bedeutung Laborversuche zum Schadstoffabbau im Grundwasser mittels Nanopartikeln zeigen sehr gute Ergebnisse Herausforderung: Erreichen vergleichbarer Ergebnisse im natürlichen System: Verbesserung von Reaktivität, Einbringungstechnologie und Partikelmonitoring Untersuchungen zu Verlagerungsverhalten und Lebensdauer der Partikel Umfassende Standorteignungsbewertung im Vorwege einer Partikelanwendung entscheidet über Erfolg / Misserfolg der Maßnahme Erwartung: neue Partikelgenerationen werden Nachteile von nzvi beseitigen, Carbo-Iron zeigt in dieser Hinsicht positive Ergebnisse 26. Februar

22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Johannes Bruns Golder Associates GmbH Vorbruch 3 D Celle Tel.: Fax: jbruns@golder.com Informationen: Februar