Elisabeth NEUBAUER The behaviour, transport and toxicity of nanoparticles in the aquatic environment Department of Environmental Geosciences - University.

Elisabeth NEUBAUER

The behaviour, transport and toxicity of nanoparticles in the aquatic environment

Department of Environmental Geosciences - University of Vienna, Austria

Transportverhalten von nullwertigen Nanoeisenpartikeln in porösen Medien

Projekt NanoSanArbeitspaket 2

Susanne Laumann

Vesna MicićThilo Hofmann

Effekte und Verhalten von TiO2 Nanopartikeln in der aquatischen Umwelt

2

Untersuchung der Transporteigenschaften von Nanoeisen im Untergrund in Abhängigkeit von

• den verwendeten Partikeln (Nanofer 25S, Kompositpartikel AP1)

• der Injektionsgeschwindigkeit

• dem Aquifermaterial (Ladungsheterogenitäten)

• der Coinjektion von Polyelektrolyten (Modifikation des Aquifermaterials)

• der Wasserchemie (Calciumkonzentration)

Ziele des Arbeitspaketes 2


3

Verwendete Materialien

EisenpartikelNanofer 25S (NANO IRON, s.r.o, CZ)Kompositpartikel, Arbeitspaket 1

PackmaterialQuarzsand, Carbonatsand

PolyelektrolyteNatürliches organisches Material, Huminsäure,Carboxymethylcellulose, Ligninsulfonat

OH

S

O

OHO

OR

R

R


4

Partikelcharakterisierung

Nanofer 25S

• Polyacrylsäurecoating → stark negativ geladen

• polydisperses System, breite Größenverteilung, ~1 µm

• Calciumkonzentration ↑ → Partikelgröße ↑, Sedimentation ↑

• Calcium + Polyelektrolyt → Partikelgröße ~1 µm

Kompositpartikel AP1

• Partikelgrößen in Suspension > 200 µm

• schnelle Aggregation und Sedimentation, nur in hochviskoser Xanthanlösung stabilisierbar

→ nicht transportierbar!


5

Packmaterialcharakterisierung

Quarzsand (QS): stark negativ geladenCarbonatsand (CS): schwach negativ geladen

100% CS

100% QS

1 mM NaCl

Einfluss des Aquifermaterials auf die Oberflächenladung:


6


Carbonatsand : Oberflächenladung nimmt in Gegenwart von Ligninsulfonat zu → Interaktion Carbonatsand/Ligninsulfonat

Einfluss von Polyelektrolyten auf die Oberflächenladung:


7


Einfluss von hohen Calciumkonzentrationen:

Calcium

Quarz- und Carbonatsand: Oberflächenladung nimmt ab

Quarz- und Carbonatsand:Oberflächenladung nimmt zu

Calcium + Ligninsulfonat


8

Säulenversuche

Variiert:PackmaterialCoinjektion von PolyelektrolytenWasserchemie(hohe Calciumkonzentrationen)

Konstant:Fe-Konzentration (200 mg/L)Hintergrundelektrolyt(1 mM NaHCO3, pH 8,3)Injektionsgeschwindigkeit (~50 m/d)


9

Einfluss von Carbonatsand auf das Transportverhalten

Laumann et al., Environmental Pollution, 2013.

?


10

Einfluss von Carbonatsand auf das Transportverhalten

Porenvolumen

0 1 2 3 4

C/C

0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2ModelQS 100QS:CS 90:10QS:CS 50:50QS:CS 10:90CS 100

100 % Quarz

100 % Carbonat

Mobilität nimmt mit steigendem Carbonatsandanteil ab→ favorisierte Anlagerung der Partikel


11

Einfluss von Carbonatsand auf die Transportreichweite

Transportreichweite nimmt mit steigendem Carbonatsandanteil ab

Carbonatsand-Anteil [%]

0 20 40 60 80 100

Transp

ortreichwe

ite [m]

(99,9%

Pa

rtikela

bscheidung)

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

100% QS

90:10 QS:CS

50:50 QS:CS

10:90 QS:CS

100% CS


12

Einfluss der Coinjektion von Polyelektrolyten

Laumann et al., Water Research, 2014.

?


13

Einfluss der Coinjektion verschiedener Polyelektrolyte

Erhöhte Mobilität durch Coinjektion von verschiedenen Polyelektrolyten → Adsorption der Polyelektrolyte an den Carbonatsand

Tracer


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Carbonatsand

Porenvolumen

0 1 2 3 4

C/C

0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.20 mg/L LS10 mg/L LS

Carbonatsand

Porenvolumen

0 1 2 3 4

C/C

0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.20 mg/L LS10 mg/L LS25 mg/L LS 50 mg/L LS250 mg/L LS500 mg/L LS

kein Einfluss bei Coinjektion von 10 mg/L Ligninsulfonat>25 mg/L: mit zunehmender Ligninsulfonatkonzentration steigt die Mobilität

Einfluss der Polyelektrolytkonzentration

kein Einfluss bei Coinjektion von 10 mg/L Ligninsulfonat

0, 10 mg/L LS

500 mg/L LS

Tracer


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Transportreichweite (99,9% Partikelabscheidung, maximale Verlagerung) steigt von 0,36 auf 0,65 m.

Carbonatsand

Ligninsulfonatkonzentration [mg/l]

0 100 200 300 400 500 600

Tra

nspo

rtre

ichw

eite

(n

ach

99.9

% P

artik

elab

sche

idun

g) [

m]

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60

0.65

0.70

Transportreichweite

Einfluss der Polyelektrolytkonzentration


16

Einfluss von hohen Calciumkonzentrationen

Laumann et al., Water Research, 2014.

?


17

Einfluss der Calciumkonzentration

Mobilität nimmt mit steigender Calciumkonzentration ab→ geringere Partikelstabilität, geringere abstoßende Kräfte, favorisierte Anlagerung

Quarzsand

Calciumkonzentration [mM]

0 1 2 3 4 5 6

C/C

0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Calcium

Carbonatsand


0 1 2 3 4 5 60.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Calcium


18

Erhöhte Mobilität bei hohen Calciumkonzentrationen in der Gegenwart von Ligninsulfonat

→ Interaktion Sand/Ligninsulfonat, erhöhte Partikelstabilität

Quarzsand


0 1 2 3 4 5 6

C/C

0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Calcium, 50 mg/l LSCalcium

Carbonatsand


0 1 2 3 4 5 60.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Calcium, 50 mg/l LSCalcium

Einfluss der Calciumkonzentration


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Zusammenfassung

Einflussfaktoren auf das Transportverhalten

• Aquifermaterial (Ladungsheterogenitäten)Höherer Carbonatanteil im Packmaterial → geringere Mobilität

• Wasserchemie

hohe Calciumkonzentration, hohe Ionenstärke → geringere Mobilität

• Coinjektion von Polyelektrolyten

Coinjektion verschiedener Polyelektrolyte → höhere Mobilität

Coinjektion von ≥50 mg/L Ligninsulfonat → Verdopplung der Transportreichweite im Carbonatsand

• Gegenwart von Calcium und Polyelektrolyten

Ligninsulfonat stabilisiert die Nanoeisenpartikel in Gegenwart von hohen Calciumkonzentrationen→ höhere Mobilität im Quarz- und Carbonatsand


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Schlussfolgerungen

Die hydrogeologischen Gegebenheiten in Österreich verringern die Mobilität der Nanoeisenpartikel.

Das grobklastische Aquifermaterial mit hohen Durchlässigkeitsbeiwerten ist sehr günstig für die Anwendung von (Mikro-)Nanoeisen in Österreich.

Durch die Coinjektion von organischem Material kann die Mobilität der Nanoeisenpartikel deutlich verbessert werden.

Die Auswahl eines geeigneten Injektionsverfahrens wird in der Praxis entscheidend für die erfolgreiche Einbringung der Nanoeisenpartikel sein.


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Übertragbarkeit der Ergebnisse → großskalige Experimente

Labormaßstab Lysimeter Pilotanwendung in Österreich

Untersuchungen zu verschiedenen Injektionsverfahren → Auswahl eines geeigneten Verfahrens für die österreichischen Gegebenheiten

Entwicklung von Methoden zur in situ Detektion von Nanoeisenpartikeln → Bestimmung des Nanopartikel-Ausbreitungsradius

Offene Fragen

20

13


22

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Elisabeth NEUBAUER The behaviour, transport and toxicity of nanoparticles in the aquatic environment Department of Environmental Geosciences - University.

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