Jan Philip Busch

• Injection of nanoscale zero-valent iron (nZVI) is an innovative technology for in situ installation of a permeable reactive barrier in the subsurface. Zerovalent iron (ZVI) is highly reactive with chlorinated hydrocarbons (CHCs) and renders them into less harmful substances. Application of nZVI instead of granular ZVI can increase rates of dechlorination of CHCs by orders of magnitude, due to its higher surface area. This approach is still difficult to apply due to fast agglomeration and sedimentation of colloidal suspensions of nZVI, which leads to very short transport distances. To overcome this issue of limited mobility, polyanionic stabilisers are added to increase surface charge and stability of suspensions. In field experiments maximum transport distances of a few metres were achieved. A new approach, which is investigated in this thesis, is enhanced mobility of nZVI by a more mobile carrier colloid. The investigated composite material consists of activated carbon, which is loaded with nZVI. In this cumulative thesis, transportInjection of nanoscale zero-valent iron (nZVI) is an innovative technology for in situ installation of a permeable reactive barrier in the subsurface. Zerovalent iron (ZVI) is highly reactive with chlorinated hydrocarbons (CHCs) and renders them into less harmful substances. Application of nZVI instead of granular ZVI can increase rates of dechlorination of CHCs by orders of magnitude, due to its higher surface area. This approach is still difficult to apply due to fast agglomeration and sedimentation of colloidal suspensions of nZVI, which leads to very short transport distances. To overcome this issue of limited mobility, polyanionic stabilisers are added to increase surface charge and stability of suspensions. In field experiments maximum transport distances of a few metres were achieved. A new approach, which is investigated in this thesis, is enhanced mobility of nZVI by a more mobile carrier colloid. The investigated composite material consists of activated carbon, which is loaded with nZVI. In this cumulative thesis, transport characteristics of carbon-colloid supported nZVI (c-nZVI) are investigated. Investigations started with column experiments in 40 cm columns filled with various porous media to investigate on physicochemical influences on transport characteristics. The experimental setup was enlarged to a transport experiment in a 1.2-m-sized two-dimensional aquifer tank experiment, which was filled with granular porous media. Further, a field experiment was performed in a natural aquifer system with a targeted transport distance of 5.3 m. Parallel to these investigations, alternative methods for transport observations were investigated by using noninvasive tomographic methods. Experiments using synchrotron radiation and magnetic resonance (MRI) were performed to investigate in situ transport characteristics in a non-destructive way. Results from column experiments show potentially high mobility under environmental relevant conditions. Addition of mono-and bivalent salts, e.g. more than 0.5 mM/L CaCl2, might decrease mobility. Changes in pH to values below 6 can inhibit mobility at all. Measurements of colloid size show changes in the mean particle size by a factor of ten. Measurements of zeta potential revealed an increase of –62 mV to –82 mV. Results from the 2D-aquifer test system suggest strong particle deposition in the first centimetres and only weak straining in the further travel path and no gravitational influence on particle transport. Straining at the beginning of the travel path in the porous medium was observed with tomographic investigations of transport. MRI experiments revealed similar results to the previous experiments, and observations using synchrotron radiation suggest straining of colloids at pore throats. The potential for high transport distances, which was suggested from laboratory experiments, was confirmed in the field experiment, where the transport distance of 5.3 m was reached by at least 10% of injected nZVI. Altogether, transport distances of the investigated carbon-colloid supported nZVI are higher than published results of traditional nZVI.…
• Die Injektion nanoskaligen nullwertigen Eisens ist eine innovative Technik zur In-situ-Sanierung chlororganisch belasteter Standorte. Hierbei wird das nullwertige Eisen in den Untergrund injiziert und soll dort eine permeable reaktive Barriere aufbauen, in der chlororganische Schadstoffe zu weniger schädlichen Substanzen abgebaut werden sollen. Die Einbringung nanoskaliger Kolloide birgt gegenüber klassischen eisengefüllten permeablen reaktiven Barrieren den Vorteil einer durch die wesentlich größere Oberfläche vielfach schnelleren Reaktion und dadurch einer möglicherweise kürzeren Sanierungszeit. Noch ist die praktische Anwendung dieses Ansatzes durch schnelle Agglomeration und Sedimentation der Nanokolloide begrenzt. Durch Hinzufügen von polyanionischen Zusatzstoffen, welche die Oberflächenladung erhöhen und damit die Agglomeration und Sedimentation der Partikel verlangsamen, konnten bereits Transportreichweiten von wenigen Metern beobachtet werden. Ein weiterer Ansatz ist das Aufbringen von Nanoeisen auf ein mobiles Trägerkolloid.Die Injektion nanoskaligen nullwertigen Eisens ist eine innovative Technik zur In-situ-Sanierung chlororganisch belasteter Standorte. Hierbei wird das nullwertige Eisen in den Untergrund injiziert und soll dort eine permeable reaktive Barriere aufbauen, in der chlororganische Schadstoffe zu weniger schädlichen Substanzen abgebaut werden sollen. Die Einbringung nanoskaliger Kolloide birgt gegenüber klassischen eisengefüllten permeablen reaktiven Barrieren den Vorteil einer durch die wesentlich größere Oberfläche vielfach schnelleren Reaktion und dadurch einer möglicherweise kürzeren Sanierungszeit. Noch ist die praktische Anwendung dieses Ansatzes durch schnelle Agglomeration und Sedimentation der Nanokolloide begrenzt. Durch Hinzufügen von polyanionischen Zusatzstoffen, welche die Oberflächenladung erhöhen und damit die Agglomeration und Sedimentation der Partikel verlangsamen, konnten bereits Transportreichweiten von wenigen Metern beobachtet werden. Ein weiterer Ansatz ist das Aufbringen von Nanoeisen auf ein mobiles Trägerkolloid. In dieser kumulativen Dissertation werden die Transporteigenschaften von kohlenstoffkolloidunterstütztem Nanoeisen untersucht. Die Untersuchungen beginnen mit Versuchen in Laborsäulen, die mit verschiedenen porösen Medien gefüllt wurden. Hier wurde der Einfluss verschiedener physikochemischer Parameter (u.a. Salinität und pH-Wert) auf das Transportverhalten untersucht. Anschließend wurde der Versuchsaufbau auf einen 1,2 m langen 2D-Laboraquifer, der ebenfalls mit einem porösen Medium gefüllt wurde, vergrößert. Außerdem wurde ein Feldversuch in einem natürlichen Aquifer ein gerichtetes Fließfeld eingerichtet und darin der Transport über eine Distanz von 5,3 m untersucht. Parallel dazu wurde das Transportverhalten mit nichtinvasiven Methoden, hier Magnetresonanztomographie (MRT) und Synchrotronstrahlung, in laborskaliger Größe untersucht. Die Ergebnisse der Säulenversuche deuten auf eine hohe Anwendbarkeit unter umweltrelevanten Bedingungen hin. Ein sehr niedriger pH-Wert oder eine hohe Salinität (z. B. mehr als 5 mM/L CaCl2) können die Anwendbarkeit jedoch einschränken. Zusätzlich wurde eine Änderung der durchschnittlichen Kolloidgröße um den Faktor einer Größenordnung und eine Änderung des Zetapotentials von –62 auf –80 mV beobachtet. Die Ergebnisse des Transportexperiments im 2D-Laboraquifer deuten auf eine Deposition der Kolloide auf den ersten Zentimetern der Fließstrecke hin, aber geringe Deposition im weiteren Verlauf des Transports. Dabei konnte kein direkter Einfluss der Gravitation festgestellt werden. Die Ergebnisse konnten mithilfe von MRT-Untersuchungen bestätigt werden. Die Beobachtung mittels Synchrotrontomographie deutet auf eine Deposition an Porenhälsen hin. Die vielversprechenden Ergebnisse der Laboruntersuchungen konnten in dem Feldversuch bestätigt werden, da hier mehr als 10% der zugegebenen nZVI eine Stecke von 5,3 m oder mehr im Aquifer passiert haben. In der Gesamtbetrachtung scheint der Einsatz dieses kolloidunterstützten nanoskaligem nullwertigen Eisens den gängigen Methoden der Eiseninjektion im Hinblick auf die erzielbare Transportreichweite überlegen zu sein.…