Grundvand er en vigtig kilde til drikkevand alle steder på Jorden, og steder som Danmark er det dén primære kilde til drikkevand. Klimaændringer og befolkningstilvækst vil kun betyde en større afhængighed af grundvand som kilde til drikkevand. Men den voksende befolkning og industrialisering af jordens befolkede arealer har miljømæssige konsekvenser for de naturlige grundvandsressourcer. Stormvand og afstrømning fra landbrug, spild og dumping fra industrien, syreholdig afstrømning fra minebrug og perkolat fra lossepladser er primære eksempler på måder hvordan forurenende stoffer trænger ned i grundvandet. For at gøre dette forurenede vand brugbart til menneskeligt indtag benytter man reaktivt jern og i særdeleshed nano-zero-valent jern (nZVI) for at nedbryde og/eller absorbere mange af disse forurenende stoffer. Imidlertid har den nuværende anvendelse af nZVI begrænsninger. Disse begrænsninger er primært hurtig oxidering og aggregering, der medfører nedsat reaktivitet og anvendelighed. Derfor er udviklingen af nye materialer med inkorporeret nZVI og forbedring af strategien for syntese for at forbedre anvendeligheden af nZVI afgørende for den fremtidige succes for brug af nZVI som rensningsteknik. Dette ph.d.-studie har undersøgt forskellige materialer hvis formål er at løse tabet af reaktivitet af nZVI for dermed at skabe et robust behandlingssystem der er i stand til at håndtere det forurenede vand. Dette ph.d.-studie har også undersøgt og udviklet en fremgangsmåde til hensigtsmæssigt at måle reaktiviteten af det reaktive jern som en universel testmetode. Overflademodifikation af nZVI er en almindelig løsning til at modvirke begrænsningen af materialet, da overflademodifikationen kan indfatte nZVI-partiklen og forhindre den i at interagere med andre partikler men stadigt tillade partiklen at interagere med den vandopløste forurening. I denne undersøgelse anvendtes en syntetisk fremstillet organo-funktionaliseret magnesiumbaseret aminoler (MgAC) til netop dette formål. Ved at variere forholdet af MgAC til nZVI og overvåge forandringen af den fysiske fremtræden og reaktivitet, blev der fremstillet et komposit materiale, der forbedrede den generelle virkning af nZVI. Det blev fastslået, at det reaktive jern indhold, dets kolloide stabilitet, partikelstørrelse og evne til at reducere nitrat (i modsætning til det oxiderede jern) var optimalt ved en støkiometrisk ratio på 7½:1 af MgAC:Fe. En alternativ, men mindre anvendt løsning, er at indbygge eller imprægnere et porøst materiale med nZVI. Denne metode fungerer på tilsvarende måde, med undtagelse af, at nZVI er fanget i en kompleks indlejringsmasse i modsætning til at være belagt med en beskyttende barriere. Forskellige porøse polymerer, samlet betegnet som kovalente organiske polymere (COP), blev imprægneret med nZVI og undersøgt på samme måde som MgAC. Alle COP udviste et højt optag af nZVI på omtrent 10 % på vægtbasis. Kvantificering af reaktiviteten viste sig at være vanskelig i forbindelse med nedbrydning af et azo-farvestof pga. COP materialernes meget høje tilbøjelighed til at adsorbere både farvestoffet og dets nedbrydningsprodukt. Imidlertid var disse COP ekstremt effektive bærere af nZVI med henblik på at opretholde kolloid stabilitet. I et tilfælde fordoblede den anvendte COP (COP-19) den kolloide stabilitet. For at udvide anvendelsesmulighederne for disse komposit materialer, kan en undersøgelse af hvordan man optimalt håndterer disse syntetiske materialer bruges til at forlænge deres levetid. For at gøre dette blev tre vaske- og opbevaringsmetoder for nZVI belagt med MgAC undersøgt. Metoderne var: Vask af partiklerne umiddelbart efter syntese med en NaHCO3-opløsning, vask af partiklerne med en NaHCO3-opløsning efter opbevaring og vask af partiklerne umiddelbart efter syntese med en MgAC-opløsning. Det var tydeligt ved alle reaktivitetstestene af partiklerne, at vask af partiklerne efter opbevaring var ødelæggende for materialet. Kolloidstabilitet, indhold af reaktivt jern og aktiviteten overfor nitrat faldt hurtigt i løbet af en uges opbevaring. De andre metoder hvor vask af partikler skete umiddelbart efter brug, evnede at fastholde de tre førnævnte egenskaber langt mere effektivt ved en uges opbevaring, og partiklerne vasket med MgAC-opløsningen klarede sig bedst i forhold til NaHCO3 opløsningen. Denne præ-opbevaring-vask-teknik fjernede tilbageblevne reaktanter i syntese-blandingen som kan korrodere jernet, og ydermere tilfører præ-opbevaring-vask med MgAC endnu mere stabilitet til materialet, der beskytter nZVI’en. Herudover, var det muligt at undersøge karakteristikken af den ikke-overflademodificerede nZVI og dermed at få en større indsigt i de ændringer, der opstår ved opbevaring af stoffet. Det blev observeret at ved at vaske nZVI med MilliQ vand efter syntese blev der skabt et miljø, hvor partiklerne var en smule mere oxiderede fra begyndelsen, hvilket betød en forøget dannelse af en jern-hydroxid skal ved opbevaring. Ved ikke at vaske nZVI sammenlignet med vask med reduktionsmidlet NaBH4 forhindredes en initial oxidering, der medfører en efterfølgende jernoxid dannelse ved opbevaring. Dette har betydning da hydroxidskallen fremmer en større elektron-overførsel, hvorimod den oxiderede skal fungerer som et passiverende lag. Den forhøjede elektron-overførsel medførte en højere reaktivitet i op til en uge ved opbevaring.Til brug for sammenligning og kvantificering for forskere er det utroligt vigtigt med en simpel og effektiv metode til at vurdere nZVI’s reaktivitet. Nu er de fleste metoder til at karaktisere reaktiviteten af nZVI ofte analytiske tunge, kræver dyrt udstyr og mangler en standardiseret måde at udføre behandlingen på. Dette studie har forsøgt at løse denne problemstilling ved at udvikle en simpel kolorimetrisk karakteriseringsmetode, der gør det muligt at detektere et nedbrydelsesprodukt produceret af nZVI og ved at tilsætte en kemisk forbindelse skabe en farve-reaktion, der er mulig at aflæse med et simpelt spektrofotometer. Dette blev opnået ved at anvende indophenol-reaktionen, der benytter fenol og andre udvalgte reagenser til at skabe en blå farve. Fenol kan produceres ved dehalogenering af 4-chlorphenol med nZVI, og endnu lettere ved reaktion med bi-metallisk nikkel-nZVI. Denne simple metode blev herefter optimeret for at reducere reagent voluminerne og nikkelkoncentrationen og for at udvide rækken af detekterede reduktionsreaktionsprodukter. De forbindelser, der kunne anvendes i farve-analysen med de samme reagenter var slutteligt anilin, ammonium og fenol, som alle kan blive produceret ved reduktiv nedbrydning af passende reagenser med nZVI. Til sidst, for at sammenligne anvendeligheden af den kolorimetriske analyse med almindelige halogenerede grundvandsforureningsstoffer, blev resultatet sammenlignet med dehalogenering af TCE, TCA og atrazin. Den kolorimetriske analyse fungerede også i forhold til nedbrydningen af disse klor-forbindelser, hvilket betyder at analysemetoden kan fungere som et simpelt værktøj til at måle reaktiviteten af al slags nZVI, når det endelige behandlingsmål er vanskeligt analyserbare forbindelser i reelle vandmatricer.I den sidste ende var det primære mål for dette ph.d.-projekt at udvikle et robust nano-komposit materiale indeholdende nZVI til brug i vandbehandlingssystemer. Belært af de tidlige erfaringer med komposit materialet, hvor MgAC og COP blev anvendt, blev slutresultatet en kombination af granulært aktivt kul, COP og nZVI. Efter en længere proces for at udvikle en metode til kemisk at binde COP-materialet til overfladen af aktivt kul, blev det muligt at imprægnere komposit materialet med nZVI. På grund af hovedbestanddelen af aktivt kul i det endelige materiale, viste det sig at være ekstremt robust med en strukturel som kunne anvendes i et gennemstrømningsfilter som er det almindelige, når man behandler store mængder af vand. Selvom en fortsat optimering af materialet er nødvendig, viser de første resultater for adsorbering og nedbrydning af forureningen meget lovende resultater, langt bedre end aktivt kul alene og også bedre end kul imprægneret med nZVI. Endvidere medførte processen en uventet bonus, da det kompositte materiale, og i særdeleshed når kullet blev imprægneret med COP, fungerede som en beskyttende barriere mod effekterne af oxidering. Kompositionen af aktivt kul-COP-nZVI udviste tæt på 100 % reaktivt jern efter syntesen, sammenlignet med meget lavere mængder i andre kendte nZVI-kompositter eller aktivt kul-nZVI-kompositionen anvendt i dette forsøg, hvor der kun var 80 % reaktivt jern indhold.Resultaterne af dette ph.d.-projekt konkluderer i forskellige fremskridt i anvendelsen og analysen af nZVI og nZVI-kompositte materialer. Forskellige kompositte materialer udviste forhøjet kolloid stabilitet og reagerede på nZVI. Forskellige vaske- og opbevaringsteknikker belyste bedre metoder for at anvende nZVI til vandforureningen og de underliggende (sekundære) mekanismer, der opstår i korrosionen af nZVI. Slutteligt, så blev der ved at kombinere tre forskellige teknologier udviklet nye materialer, der med tiden kan føre til et mere robust vandbehandlingssystem i stand til at nedbryde typiske problematiske forureningsstoffer i vand.
展开▼
