Migrace železných nanočástic – kolonové experimenty

Migrace železných nanočástic – kolonové experimenty
Jaroslav Nosek 1) 2), Miroslav Černík 1) 2), Petr Kvapil 2)
1) Výzkumné centrum „ARTEC“, Technická Univerzita v Liberci, Studentská 2, Liberec, 461 17
2) AQUATEST a.s., Geoloogická 4, Praha 5, 152 02
E-mail: [email protected] , [email protected], [email protected]
ÚVOD
Oxidačně/redukčních metody jsou stále více používány pro sanaci kontaminace horninového prostředí. Jedním z
perspektivních sanačních postupů je využití nanočástic nulmocného železa (nanoFe0) pro redukci kontaminace
in-situ. Při redukci chlorovaných etenů se uplatňují stejné reakce jako při použití železných špon v reaktivních
bariérách. Nanočástice však díky svému velkému měrnému povrchu (30 m2/g) dosahují výrazně vyšší reaktivity
(cca. 104 krát). Další výhodou nanoFe0 oproti železným šponám v PRB jsou jejich migrační schopnosti. Díky své
velikosti mohou být nanočástice transportovány vlivem podzemního proudění a může tak být dále zvětšen jejich
účinný dosah.
LABORATORNÍ EXPERIMENTY
Základem experimentů popisujících migraci nanočástic, jsou kolonové testy. Kolona je tvořena skleněným
válcem s vnitřním průměrem 8cm a délkou 50cm, který je do výšky 40cm vyplněn materiálem simulujícím
horninové prostředí (křemičitý písek se zrnitosti 0,5-2mm). Blokové schéma experimentu je uvedeno na obr.1.
16
14
Cond vs . tim e
12
40
P růmě r [cm]
10
Kf [m/s ]
Zrnitos t [mm]
P óros ita
7.4E-04
0.5 - 2
Sta rt
Kone c
Cond [uS/c m]
Dé lka [cm]
10
8
6
0.39
4
2
0
0
a)
Obr. 1.
500
1000
time [s ]
1500
2000
b)
2500
c)
a) blokové schéma kolonového experimentu, b) parametry kolony, c) stopovací zkouška
Průtok vody kolonou odpovídal rychlosti proudění 9.10-4 m/s (70 m/den). Na každé koloně byla proveden
stopovací zkouška s roztokem NaCl.
Pro experimenty bylo použito nanoFe0 od firmy TODA KYOGO Japan. Pro zásak byla připravena suspenze
s koncentrací nanoFe0 cca. 1 g/l (podobné koncentrace jsou používány při aplikaci na lokalitách). Průtok
dávkovacího čerpadla byl nastaven na 25 ml/min, průtok oběhového čerpadla byl 135 ml/min. Tímto způsobem
bylo do kolony nadávkováno 5 l zásobní suspenze. Během experimentu byly z výstupu kolony odebírány vzorky
vody, ve kterých byla měřena celková koncentrace Fe. Po ukončení dávkování byla kolona odpojena a odebrány
vzorky z profilu kolony, ve kterých byla provedena měření celkové koncentrace Fe. Změřené koncentrace
celkového Fe jsou znázorněny na obr.2.
1400
1200
1000
800
Fe [mg/l]
Fe vs. length
Frakce I.
Frkace II.
600
400
200
0
0
Obr. 2.
5
10
15
20
25
length [cm]
30
35
40
Změřené koncentrace celkového Fe po zásaku nanoFe0 (přirozená koncentrace Fe cca. 10 mg/L)
Z měřených hodnot celkové koncentrace Fe (odpovídající koncentraci zasáknutého nanoFe0) lze vypozorovat, že
část injektovaných nanočástic migruje podstatně rychleji než zbytek. Na obr.2 jsou identifikovány dvě frakce
označeny jako Frakce I. (mobilnější) a Frakce II. Jejich podíl je 29% vs. 71% ve prospěch méně mobilnější
frakce.
NUMERICKÝ MODEL MIGRACE nanoFe0
Pro návrh numerického modelu kolony byl použit komerční nástroj PROCESSING MODFLOW PRO. Model
byl řešen jako 1D, reprezentující výřez z kolony o šířce 10cm, hloubce 5cm a výšce 40cm. Parametry
proudového modelu odpovídaly naměřeným hodnotám (Kf = 0,074 cm/s, nef = 0,39). Pro výpočet byly použity
okrajové podmínky konstantní hladiny. Hydraulický spád byl zvolen tak, aby rychlost proudění byla shodná
s experimentálními daty (0,09 cm/s).
Transportní model využíval při výpočtu pouze numerickou disperzi. Její velikost je závislá na počtu elementů
1D modelu. Tento počet byl zvolen tak, aby se modelová křivka průchodu stopovače co nejméně lišila od
naměřené. Takto stanovená numerická disperze byla použita pro výpočet migrace nanoFe0. Model transportu
nanoFe0 byl řešen v modulu RT3D. Retardace jednotlivých frakcí nanoFe0 byla simulována sorpcí (distribučním
koeficientem Kd), agregace nanočástic kinetikou 1. řádu.
16
14
Experiment
Model
12
Vodivost [mS/cm]
10
8
6
4
2
0
400
Obr. 3.
500
600
700
Čas [s]
800
900
1000
Průchod stopovače – model vs. Experiment
1D transportní model simuloval celý experiment zásaku nanočástic. V jeho průběhu bylo během 3 hodin do
kolony injektováno celkem 5 L suspenze s koncentrací nanoFe0 1 g/L.
Parametry transportního modelu:
- modul RT3D v PMWIN
- reakční modul: Sequential decay reactions
- disperze (pouze numerická daná počtem elementů)
- metoda pro výpočet advekce: Upstream finite diference method (Courant number = 0,75)
- hustota prostředí 1,8 g/cm3
- distribuční koeficient Kd - frakce I
0,5 cm3/g
- frakce II
35 cm3/g
0
- agregace nanoFe (kinetika 1.řádu) - frakce I
0,0014 s
- frakce II
0
-
čas simulace 10800 s
1400
1200
1000
Fe [mg/l]
Fe experiment
800
Model Frakce I.
Model Frakce II.
600
400
200
0
0
Obr. 4.
5
10
15
20
25
length [cm]
30
35
40
Porovnání výsledků modelových dat migrace nanoFe0 vs. experimentální
ZÁVĚR
Laboratorní experimenty prokázaly migrační schopnosti nanoFe0 v prostředí písků s propustností 8*10-4 m/s.
Nanoželezo obsahuje dvě frakce, které se liší velikostí částic a migračními vlastnostmi. Pro matematický popis
byly kalibrací určeny podíly jednotlivých frakcí a kinetika agregace jemnější frakce na hrubší. V experimentech
bude pokračováno, dalším cílem je popis reálného přirozeného systému.
PODĚKOVÁNÍ
Příspěvek vznikl za finanční pomoci České Akademie Věd v rámci projektů 1ET40804051.
LITERATURA
[ 1 ] Zhang, W.-X. Nanoscale iron particles for environmental remediation. J. Nanopart. Res. 2003, 5, 323-332.
[ 2 ] M. Cernik, P. Kvapil, M. Pupeza, Reductive dechlorination of CHCs in fractured enhanced b lactates an Fe(0) nano-particles, In
proceedings of ECOR 2, Gotingen, German, 2005.
[ 3 ] Cernik M., Kvapil P., Nosek J.: Application of modern methods for in-situ remediation on locality Kurivody, Sanační technologie
IIX, Uherske Hradiste 2005, Czech Republic.
[ 4 ] Kanel, S. R.; Goswami, R. R.; Clement, T. P.; Barnett, M. O.; Zhao, D. Two Dimensional Transport Characteristics of Surface
Stabilized Zero-valent Iron Nanoparticles in Porous Media. Environ. Sci. Technol.; (Article); 2008; 42(3); 896-900.
[ 5 ] Nurmi, J. T.; Tratnyek, P. G.; Sarathy, V.; Baer, D. R.; Amonette, J. E.; Pecher, K.; Wang, C.; Linehan, J. C.; Matson, D. W.;
Penn, R. L.; Driessen, M. D. Characterization and Properties of Metallic Iron Nanoparticles: Spectroscopy, Electrochemistry,
and Kinetics. Environ. Sci. Technol.; (Article); 2005; 39(5); 1221-1230.
[ 6 ] S.R. Kanel and H. Choi. Transport characteristics of surface-modified nanoscale zero-valent iron in porous media. Water
Science & Technology Vol 55 No 1–2 pp 157–162.