Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1247
Main Title: Untersuchung von Einflussfaktoren auf die Langzeitreaktivität von Fe(0) für die Grundwassersanierung
Translated Title: Factors affecting the long-term reactivity of Fe(0) for groundwater remediation
Author(s): Bokermann, Christian
Advisor(s): Rüden, Henning
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: In der vorliegenden Arbeit wurde die Langzeitreaktivität von Fe(0) für die Sanierung LCKW-kontaminierter Grundwässer anhand von Batch- und Säulenexperimenten untersucht . Die Ergebnisse zeigten, dass auch über lange Zeiträume unter realitätsnahen Randbedingungen mit einer signifikanten Entwicklung von Wasserstoff (H2) durch die anaerobe Korrosion zu rechnen ist. Mit dem Einsatz horizontaler Säulensysteme, der kontinuierlichen Erfassung der gasförmigen H2-Produktion und der Durchführung von Säulenversuchen langer Dauer wurde ein Versuchskonzept implementiert, dass diesem Umstand Rechnung trägt und die umfassende Beschreibung des Langzeitverhaltens reaktiver Systeme ermöglicht. In der überwiegenden Zahl der untersuchten Systeme dominierte die H2-Entwicklung die Korrosionsprozesse. Aufgrund ihres Ausmaßes ist mit der kontinuierlichen Existenz von Gasphasen zu rechnen, die die Leistungsfähigkeit des reaktiven Systems durch die Blockade der reaktiven Oberfläche, die Bildung instationärer Zonen und die Ausprägung bevorzugter Entgasungspfade und Fließwege beeinträchtigen können. Die HCO3--Konzentration hatte einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamtkorrosion und infolgedessen auf das Ausmaß der Präzipitatbildung. Die nicht direkt proportionale Abhängigkeit von Korrosion und HCO3--Konzentration verhindert eine verlässliche Extrapolation für andere Randbedingungen. Ein entsprechend komplexer Zusammenhang wurde auch hinsichtlich des Einflusses der verfügbaren reaktiven Oberfläche gefunden. Der vor diesem Hintergrund untersuchte Einsatz von Eisen/Kies-Mischschüttungen kann eine bedeutsame Weiterentwicklung der Sanierungstechnologie darstellen. Die Bildung carbonatischer Deckschichtanteile führte zu einem zunehmenden Reaktivitätsverlust, der sich in grober Näherung für die untersuchten Säulensysteme durch das lineare Fortschreiten einer Passivierungsfront beschreiben ließ. Für die untersuchten Systeme stellte diese Passivierung im Vergleich zu Gasphasenbildung, Porositätsverlusten oder mikrobiologischen Einflüssen im Hinblick auf das Langzeitverhalten das zentrale Problem dar. Unter günstigen Randbedingungen konnte die dauerhafte Etablierung von dechlorierenden Mikroorganismen und ein entsprechend signifikanter mikrobiologischer Beitrag zur Schadstoffreduktion nachgewiesen werden. Eine nachhaltige Verminderung der gebildeten H2-Gasphasen ist jedoch unter Feldbedingungen ebenso unwahrscheinlich wie eine Blockade durch das Wachstum dechlorierender Mikroorganismen. Eine präzise modellhafte Beschreibung des Langzeitverhaltens reaktiver Systeme mit Fe(0), vor allem der Einflüsse von Gasphasenbildung, Präzipitatbildung und daraus resultierenden Porositätsverlusten sowie der Passivierung durch Deckschichten, ist auf der Grundlage der zur Zeit vorhandenen Datenbasis nicht möglich. Für die Auslegung reaktiver Systeme kann somit zur Zeit nur die Verwendung größerer Sicherheitsfaktoren empfohlen werden.
Batch and column experiments were carried out in order to characterise the long-term reactivity of zero-valent iron (Fe(0) for the remediation of groundwater contaminated with chlorinated hydrocarbons. Results indicate that significant hydrogen (H2) evolution can occur over extended periods under realistic experimental conditions. This H2 evolution was taken into account by implementing an experimental concept that included horizontal column systems, a continuous collection of the produced gas phase and an extended experimental duration. For most of the investigated experimental systems H2 evolution represented the main corrosion process. Therefore the continuing presence of a gas phase in reactive beds with Fe(0) has to be expected, which might severely affect barrier performance due to a blockade of reactive sites and the development of preferential flow and outgassing paths. Bicarbonate concentration exerted a critical influence on total corrosion rates and as a consequence the amount of precipitates formed. A non-linear relationship between bicarbonate concentration and corrosion rates was determined, preventing a reliable extrapolation of corrosion rates for different experimental conditions. A similarly complex relationship was found in respect to the influence of available reactive surface area on degradation and corrosion rates. Against this background the application of reactive beds with mixtures of Fe(0) and sand/gravel might prove to deliver superior performance results. Precipitation of carbonaceous mineral phases led to an increasing reactivity loss, which as a first approximation could be described by a linear advance of a passivated front. For the experimental configurations investigated in this work, passivation and reactivity loss represented the central problem in respect to the long-term performance of the Fe(0) column systems, while gas phase accumulation, porosity losses and micobiological processes exhibited a comparatively minor influence. Under favourable conditions, e.g. the presence of nutrients, a dechlorinating micobiological consortium established itself permanently and contributed to a significant degree to the reduction of perchloroethene. However, an extensive reduction of the H2 present in the reactive bed due to microbiological consumption as well as relevant porosity losses caused by microbiological growth are rather unlikely. A precise description of the long-term performance of reactive systems with Fe(0), e.g. by the application of a mathematical model, is, based on the current understanding, not possible in a reliable fashion. Especially describing effects such as gas phase accumulation, mineral phase precipitation, porosity and reactivity losses in a comprehensive way remains to be a challenge. At present the incorporation of sufficiently large safety factors during the dimensioning of reactive systems with Fe(0) constitutes the only approach to ensure a satisfactory long-term performance.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-11592
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1544
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1247
Exam Date: 12-Aug-2005
Issue Date: 6-Dec-2005
Date Available: 6-Dec-2005
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Eisen
Grundwassersanierung
Langzeitreaktivität
LCKW
Groundwater
Iron
Reactivity
Remediation
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