Reaktionsmechanismen von CKW und Cr-VI mit Nano-Fe Partikeln

Trichlorethen (TCE) und sechswertiges Chrom (Cr(VI)) repräsentieren sehr häufige und außerordentlich toxische chlorierte Kohlenwasserstoffe(TCE) und metallische (Cr(VI)) Grundwasserkontaminanten. Derzeit werden kontaminierte Grundwässer oftmals saniert indem der gesamte kontaminierte Grundwasserkörper ausgegraben und deponiert wird (Dig & Dump). Konventionelle Sanierungsverfahren wie Dig & Dump sind ausgesprochen teuer und je nach Verfahren auf lange Sicht nicht effizient. Deshalb werden derzeit neuartige in-situ (im Untergrund) Sanierungsverfahren entwickelt mit Hilfe derer kontaminierte Standorte bedeutend kosteneffizienter saniert werden können. Nanoskalige, nullwertige Eisenpartikeln (nZVI) werden zunehmend zur Reinigung von Wasser eingesetzt. Für die Anwendung zur Grundwassersanierung werden die Partikeln direkt in den Grundwasserleiter injiziert wo diese in direkten Kontakt mit dem Schadstoff gelangen. Hierbei geben die Partikeln Elektronen an den Schadstoff ab, wodurch dieser in nicht mehr toxische Substanzen umgewandelt wird. In der Vergangenheit wurden bereits zahlreiche Studien durchgeführt die sich mit der Anwendung von nZVI zur Sanierung von kontaminierten Grundwässern beschäftigten.Die Untersuchungder fundamentalenReaktionsmechanismen an den Partikeloberflächen wurde hierbei jedoch bisher vernachlässigt. Es ist anzunehmen, dass die Reaktivität von nZVI sehr stark von der chemischen Zusammensetzung sowie der atomaren Oberflächenstruktur der Partikel abhängt. Wir gehen daher davon aus, dass die Interaktionen zwischen Partikeloberfläche und dem Schadstoff durch molekulare Interaktionen in Nanogröße bestimmt werden. Derartige Interaktionen können nicht durch experimentelle Untersuchungen beobachtet werden. Daher werden experimentelle Studien mit einer speziellen Art der Modellierung (quantum chemical modeling) kombiniert. Dadurch wird es möglich Partikelreaktivitäten die in experimentellen Untersuchungen beobachtet werden können mit fundamentalen Mechanismen zu erklären. Um diese fundamentalen Mechanismen zu bestimmen werden nZVI Partikeln mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen und unterschiedlichen Morphologien hergestellt und deren Eigenschaften detailliert charakterisiert. Die Reaktivität dieser Partikeln wird dann im Rahmenvon Laborexperimenten anhand der zwei repräsentativen Schadstoffen TCE und Cr(VI) untersucht. Der Abbau von TCE sowie die Umwandlung von Cr(VI) in weniger toxisches Cr(III) werden dabei unter genau definierten Experimentalbedingungen durchgeführt. Beobachtete Unterschiede zwischen verschiedenen Partikeltypen werden verbunden mit fundamentalen Reaktionsmechanismen die aus Ergebnissen der Modellierung abgeleitet werden können. Das Ziel dieser Studie ist es eben diese fundamentalen Reaktionsmechanismen an der Partikeloberfläche zu entschlüsseln. Ein besseres Verständnis dieser Mechanismen ermöglicht es optimierte Partikel für die jeweilige Applikation beziehungsweise für bisher noch nicht angedachte Anwendungen herzustellen.

In der Vergangenheit kam es an zahlreichen industriell und kommerziell genutzten Standorten zu Verunreinigungen des Bodens und des Grundwassers. Eine wichtige Gruppe von Substanzen, die an solchen Standorten bis heute im Grundwasser zu finden ist, sind organische Lösungsmittel. Diese wurden vor allem in der Chemischen Reinigung, sowie in der Metallverarbeitenden Industrie verwendet. Eine Möglichkeit solche Standorte zu sanieren ist die Zugabe von Eisensuspensionen direkt ins Grundwasser. Durch Reaktion der Eisenpartikel mit den organischen Lösungsmitteln werden diese bis zu Wasser und Kohlenstoffdioxid vollständig abgebaut. In diesem Projekt ist es gelungen die Reaktionsgeschwindigkeit und die Spezifität der Eisenpartikel durch Dotierung mit Schwefel, sowie mit Stickstoff zu erhöhen. Beide modifizierten Partikel reagierten signifikant rascher mit dem verwendeten chlorierten Lösungsmittel. Die Ergebnisse sind relevant für die Sanierung von Standorten, da Eisensuspensionen im Vergleich zu anderen reaktiven Chemikalien relative teuer sind. Durch die Verwendung von reaktiveren Eisenssuspensionen kann somit sehr viel Geld eingespart werden. Im Projekt wurden Gefäßversuche im Labor mit Trichlorethen durchgeführt. Diese Substanz ist häufig an Putzereistandorten, sowie Standorten der Metallverarbeitenden Industrie zu finden. In diesen Experimenten wurde der Abbau von Trichlorethen mit Eisensuspensionen, die unterschiedliche Gehalte an Schwefel, Stickstoff und Kohlenstoff enthielten untersucht. Kohlenstoff-dotierte Partikel zeigten keinen Unterschied im Vergleich zu nicht-dotierten Eisenpartikeln. Dagegen konnte ein im Vergleich zu einer reinen Eisensuspension beschleunigten Abbau gezeigt werden, wenn die Eisensuspension mit zunehmenden Schwefelmengen behandelt worden war. Bis zu einem Schwefel:Eisen-Verhältnis von 10:100 nahm die Reaktionsrate zu, bei einem Verhältnis von 25:100 kam es jedoch wieder zu einer Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit. Da sich der Schwefel auf der Oberfläche der Eisenpartikel anlagert, bilden sich sogenannten Core-Shell- (Kern-Schalen)-Partikel. Solange die Schwefelschale dünn genug ist, führt sie zu einer verbesserten Anlagerung der Lösungsmittelmoleküle an die Eisenoberfläche. Wir die Schwefelschale allerdings zu dicke, kann kein Kontakt mehr mit der Eisenoberfläche hergestellt werden und die Reaktion kann nicht mehr stattfinden. Im Projekt konnte erstmals gezeigt werden, dass Stickstoff-dotierte Eisenpartikel ebenso zu einer Beschleunigung der Reaktionsrate führen wie Schwefel-dotierte Eisenpartikel. Es ist zu erwarten, dass die Ergebnisse des Projektes einen Einfluss auf die Sanierung von kontaminierten Standorten haben, die mit chlorinierten Lösungsmitteln verunreinigt sind.