Entwicklung von Kohlenstoff-Eisen-Komposit- Materialien für die Sorption und Zerstörung von halogenierten Grundwasserschadstoffen

Transkript

1 Statusseminar, 25./26. April 2017 Entwicklung von Kohlenstoff-Eisen-Komposit- Materialien für die Sorption und Zerstörung von halogenierten Grundwasserschadstoffen K. Mackenzie, Helmholtz-Zentrum für Umweltforschung Leipzig - UFZ

2 Gliederung Einordung des Projektes ContaSorb Projektidee Geplante Materialinnovation Konsortium Projektaufbau und ziele Erste Ergebnisse Page 2

3 Hintergrund und Bezug zur Fördermaßnahme MachWas adressiert neue Fe/C-Materialkonzepte zur In-situ-Grundwasserreinigung Zielschadstoffe: halogenierte Schadstoffe (von konventionellen Lösungsmitteln hin zu halogenierten Mikroschadstoffen, wie Pharmareststoffe, PFTs) Kopplung von adsorptiver Anreicherung der Schadstoffe und deren Zerstörung durch oxidative und reduktive Verfahren reaktive Fe-Komponenten als Reagenzien oder Katalysatoren Multi-Purpose-Materialien Page 3

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5 Kopplung von Sorption und Schadstoffabbau Page 5

6 Unsere Erfahrungen mit Partikeln Carbo-Iron, Nanoeisen, Trap-Ox Fe-Zeolithe SORPTION - Optimierungsprozess für In-situ-Anwendung für 3 unterschiedliche Partikeltypen erfolgt - Anwendung im Feld für 2 Partikeltypen Eisenchemie erlaubt breitere Anwendung als Reagenz, Adsorber und Katalysator Page 6

7 Materialentwicklung WARUM Kombination Adsorber + Fe-Spezies? 1. Optimierung der Transporteigenschaften von Partikeln im Aquifer 2. Ausnutzung des Trap&Treat-Konzeptes Zwei Strategien: Fe 0 C-Coating Einbau von Fe-Spezies in poröse Adsorber Page 7

8 Transport - Einflussmöglichkeiten Page 8

9 Transport - Einflussmöglichkeiten Fe 0 Fe 0 Fe 0 Adsorber = Abstandshalter Herabsetzen der magnetischen Anziehungskräfte Herabsetzen der Agglomerationsneigung Erhöhung der Suspensionsstabilität Adsorber bestimmt Partikeleigenschaften Dichte ist Mischdichte Oberflächenladung geändert Partikelgröße = Adsorbergröße Adsorber ändert Schadstoffkonzentration im Nahbereich Erniedrigt Masse an Reagenz pro Partikelmasse Page 9

10 In-situ-Sanierung - Quelle vs. Fahne Quellenbereiche Hohe Schadstoffkonzentration Porenraum optimal nutzen Fahnenbereiche Niedrige Schadstoffkonzentrationen Maximale Permeabilität erhalten Fe 0 Fe 0 /C-Komposit C-Komponente verbessert Transport, Injizierbarkeit Selektivität der Reaktion Fe-Spezies/C-Komposit C-Komponente ermöglicht Transport Retardierung und Aufkonzentrierung der Schadstoffe Page 10

11 1. Wirkung der C-Komponente auf Transport Weiterentwicklungen des Carbo-Irons Korrosionsgehemmtes Carbo-Iron 2.0 Bio-Carbo-Iron Fe-Kat/C Eisenverlust durch Korrosion wird minimiert bei gleichbleibender Dehalogenierungsaktivität Kopplung von biotischem und abiotischem Abbau Einbau katalytisch aktiver Eisenspezies zur Aktivierung von Oxidationsmitteln Neue Fe/C-Komposite mit hohem Fe-Anteil (> 80% Fe 0 ) Eisenreiches Fe/C Gecoatetes Nanoeisen mit verbessertem Transportverhalten für quellennahe Anwendung

12 2. Wirkung der C-Komponente auf die Retardation Ausbreitungsstopp für Kontaminanten entlang GW-Fließrichtung Verweilzeit für den Abbau wird drastisch erhöht Anreicherung der Kontaminanten Mischung löslichen Reagenzien ermöglicht (z.b. Oxidationsmittel) Abschätzung der Lebenszeit einer Barriere Retardationsfaktor Durchbruch 0,1 Ma-% Adsorber auf Sediment = 875 kg/barrieresegment = 8.75 kg/m² Anstromfläche Schadstoff K d [l/kg] Retardationsfaktor [ ] Durchbruch [a] 1 mg/l PCE mg/l PCE mg/l PCE Sorptionsbarriere-Wirkung ist umso größer je höher Sorptionskoeffizient je niedriger Schadstoffkonzentration (nichtlineare Isotherme) je größer injizierte Adsorbensmasse pro Querschnitt (Breite*Tiefe) je langsamer GW-Fluss

13 ContaSorb Entwicklung von Kohlenstoff-Eisen-Komposit-Materialien für die Sorption und Zerstörung von halogenierten Grundwasserschadstoffen Page 13

14 Partner Materialentwicklung, wissenschaftliche Begleitung Materialentwicklung, Produktion Verfahrensentwicklung, Produktion Materialentwicklung, Feldanwendung, Analytik, Erfolgskontrolle vorerst assoziierter Partner Vorerkundung, Feldanwendung, Monitoring Page 14

15 Teilprojekte Partikelentwicklung Partikelherstellung Thermische Methoden Partikelherstellung Mechanochemische Methoden Feldanwendung Analytik/Qualitätskontrolle Page 15

16 Teilprojekte Teilprojekt 1 Partikelentwicklung Teilprojekt 2 Teilprojekt 3 Partikelherstellung Themische Methoden Partikelherstellung Mahlmethoden Teilprojekt 5 Feldanwendung Teilprojekt 4 Analytik/Qualitätskontrolle Page 16

17 Wertschöpfungskette Welchen Stand haben wir erreicht? Entwicklung Produktion Pilotanwendung Markt UFZ und UVR-VIA ScIDre und UVR-FIA Herstellungsmethoden, Produktionsoptimierung, Partikeloptimierung, Herstellungsvarianten, Labortestung zu Reaktivität, Partikelbereitstellung, Suspensionsstabilität, ökonomische Effizienz Mobilität, Lebenszeit u.w. Intrapore und Isodetect Feldstandort (Erkundung, Feldanalytik, Behörden), Pilottests im Feld, Erfolgskontrolle Alle KMUs Vorbereitung der Produktund Methodenvermarktung

18 Erste Ergebnisse Bislang: Nano-Eisen in Flakeform nach Mahlvorgang im Attritor Mechanochemische Vereinigung von Adsorber und Reaktivkomponente scheint möglich, Partikelform annähernd sphärisch, Analytik und Reaktionstests finden derzeit statt. Hochenergiemahlwerke, wie Planetenkugel- & Exzenterschwingmühle Page 18

19 PFTs Eine der gewählten Herausforderungen PFTs = Perfluorierte Tenside (z.b. PFOA, PFOS ) Unpolare Gruppe mit hydrophoben und lipophoben Eigenschaften Polare Gruppe mit hydrophilen Eigenschaften - Materialien fett-, öl- und wasserfest zu imprägnieren - Herstellung von Teflon - in der Fotografie - in Feuerlöschschäumen Page 19

20 PFTs Was könnte man unternehmen? Suche nach einem maßgeschneiderten Adsorber 1 Suche nach Abbaustrategien 2 Page 20

21 K d [L/kg] PFTs Sorption Sorptionskoeffizient K d von PFOA an verschiedenen Mineralen und Aktivkohlen bei einer Beladung von 0,4 4 Ma.% 1E+10 1E K d > als für 4-Ring-PAK! Minerale Aktivkohlen Page 21

22 Page 22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!