Hydraulic performance of zero-valent iron and nano-sized zero-valent iron permeable reactive barriers-laboratory test

• Autorzy: Fronczyk J. , Pawluk K.

Warianty tytułu

PL

Właściwości filtracyjne przepuszczalnych barier reaktywnych zbudowanych z żelaza zero-wartościowego i nano-żelaza zero-wartościowego-badania laboratoryjne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The hydraulic conductivity of zero-valent iron treatment zone of permeable reactive barriers (PRBs) may be decreased by reducing the porosity caused by gas production and solids precipitation. The study was undertaken in order to evaluate the influence of chloride and heavy metals on the hydraulic conductivity of ZVI and nZVI using hydraulic conductivity tests as well as continuous column tests. Results show that the lead retention in the solution had no impact for hydraulic conductivity in ZVI sample, on the other hand the calculated hydraulic conductivity losses in nZVI sample (from 4.10·10–5 to 2.30·10–5 m·s–1) were observed. Results also indicate that liquids containing the mixture of heavy metals may cause signifi cant decrease in hydraulic conductivity (from 1.03·10–4 to 1.51·10–6 m·s–1). During the column tests, several number of clogging of the reactive material caused by iron hydroxides precipitation was observed over the course of injection of heavy metals solution. In contrast, the hydraulic conductivity of ZVI and nZVI is unaffected when they are permeated with chloride ions solution (k = 1.03·10–4 m·s–1). Finally, the results indicate the need to take account of changes in the hydraulic conductivity of reactive materials for successful implementation of PRBs technology.

PL

Produkcja gazów oraz wytrącanie się nierozpuszczalnych cząstek stałych może być przyczyną zmian współczynnika filtracji przepuszczalnych barier reaktywnych PBR wykonanych z żelaza zero-wartościowego (ZVI). Zmiany te mogą być przyczyną nieprawidłowego przebiegu procesów oczyszczania środowiska gruntowo-wodnego. W artykule przedstawiono wyniki laboratoryjnych badań przepuszczalności hydraulicznej mających na celu sprawdzenie wpływu chlorków i metali ciężkich (Cd, Cu, Ni, Pb, Zn) na wartość współczynnika filtracji (k) wybranych materiałów reaktywnych – ZVI i nZVI. Analiza uzyskanych wyników badań wykazała brak wpływu chlorków oraz jonów ołowiu na współczynnik filtracji ZVI (k = 1,03·10–4 m·s–1). Obecność Pb(II) w roztworze spowodowała natomiast znaczące zmniejszenie wartości k nZVI z 4,10·10–5 do 2,30·10–5 m·s–1. Przepływ roztworu zawierającego mieszaninę metali ciężkich przez próbkę ZVI również spowodował zmniejszenie zdolności filtracyjnych materiału, co mogło być spowodowane intensywnie zachodzącymi procesami redukcji materiału. Współczynnik filtracji podczas trwania badania zmniejszył się z wartości 1,03·10–4 do 1,51·10–6 m·s–1. Podczas filtracji roztworu mieszaniny metali ciężkich przez kolumny wypełnione ZVI zaobserwowano kolmatację materiału spowodowaną wytracaniem się wodorotlenków żelaza i metali ciężkich, czemu towarzyszyło zwiększenie odczynu oraz zmniejszenie potencjału oksydacyjno-redukcyjnego roztworu wypływającego z kolumny. Zaprezentowane w artykule wyniki badań wskazują na konieczność uwzględnienia podczas projektowania PBR wpływu zanieczyszczeń na zmiany właściwości filtracyjnych materiałów reaktywnych.

Słowa kluczowe

EN

filtration property; permeability; permeable reactive barrier; zero-valent iron; laboratory test; hydraulic conductivity; nano-scale zero-valent iron

• Wydawca: -
• Czasopismo: Annals of Warsaw University of Life Sciences - SGGW. Land Reclamation
• Rocznik: 2014
• Tom: 46
• Numer: 1
• Opis fizyczny: p.33-42,fig.,ref.

Twórcy

autor

Fronczyk J.

• Department of Geotechnical Engineering, Warsaw University of Life Sciences-SGGW, ul.Nowoursynowska 159, 02-776 Warsaw, Poland

autor

Pawluk K.

• Department of Geotechnical Engineering, Warsaw University of Life Sciences-SGGW, ul.Nowoursynowska 159, 02-776 Warsaw, Poland

Bibliografia

• ALESSI D.S., LI Z. 2001: Synergistic effect of cationic surfactants on perchloroethylene degradation by zero-valent iron. Environ. Sci. Technol. 35(18): 3713-3717.
• ARORA M., SNAPE I., STEVENS G.W. 2011: The effect of temperature on toluene sorption by granular activated carbon and its use in permeable reactive barriers in cold regions. Cold Reg. Sci. Technol. 66(1): 12-16.
• American Society for Testing and Materials (ASTM) D5084-00. 2001: Standard Test Methods for Measurement of Hydraulic Conductivity of Saturated Porous Materials Using a Flexible Wall Permeameter.
• BENNER S.G., BLOWES D.W., PTACEK C.J. 1997: A full scale-porous reactive wall for prevention of acid mine drainage. Ground Water Monit. Rem. 17: 99-107.
• DAVLIN J.F., ALLIN K.O. 2005: Major anion effects on the kinetics and reactivity of granular iron in glass-encased magnet batch reactor experiments. Environ. Sci. Technol. 39(6): 1868-1874.
• DIELS L., Van Der LELIE N., BASTIAENS L. 2002: New developments in treatment of heavy metal contaminated soils. Rev. Environ. Sci. Biotechnol. 1(1): 75-82.
• DRIES J., BASTIAENS L., SPRINGAEL D., AGATHOS S.A., DIELS L. 2005: Combined removal of chlorinated ethanes and heavy metals by zerovalent iron in batch and continuous flow column systems. Environ. Sci. Technol. 39: 8460-8465.
• FRONCZYK J., GARBULEWSKI K. 2009: Selection of material suitable for permeable reactive barriers in the vicinity of landfills. Ann. Warsaw Univ. of Life Sci. - SGGW, Land Reclam. 41: 3-9.
• FRONCZYK J., PAWLUK K., MICHNIAK M. 2010: Application of permeable reactive barriers near roads for chloride ions removal. Ann. Warsaw Univ. of Life Sci. - SGGW, Land Reclam. 42: 249-259.
• GAVASKAR A., GUPTA N., SASS B., JANO-SY R., HICKS J. 2000: Design Guidance for Application of Permeable Reactive Barriers for Groundwater Remediation. Battelle, Columbus, Ohio.
• HAN I., SCHLAUTMAN M.A., BATCHE-LOR B. 2000: Removal of Hexavalent Chromium from Groundwater by Granular Activated Carbon. Water Environ. Res. 72(1): 29-39.
• HENDERSON A.D., DEMOND A.H. 2011: Impact of solids formation and gas production on the permeability of ZVI PRBs. J. Environ. Eng. 137: 689-696.
• HENDERSON A.D., DEMOND A.H. 2012: Permeability of iron sulfide (FeS)-based materials for groundwater remediation. Water Res. 47: 1267-1276.
• JOHNSON R.L., THOMS R.B., O'BRIEN JOHNSON R., KRUG T. 2008: Field evidence for flow reduction through a zero-va-lent iron permeable reactive barrier. Ground Water Monit. Rem. 28(3): 47-55.
• KAO C.M., CHEN S.C., SU M.C. 2001: Laboratory column studies for evaluating a barrier system for providing oxygen and substrate for TCE biodegradation. Chemosphere 44: 925-934.
• KIM H., HONG H.J., LEE Y.J., SHIN H.J., YANG J.W: 2008. Degradation of trichloro-ethylene by zero-valent iron immobilized in cationic exchange membrane. Desalination 223(1-3): 212-220.
• KUNUKCU Y.K. 2007: In situ bioremediation of groundwater contaminated with petroleum constituents using oxygen release compounds (ORCs). J. Environ. Sci. Health., Part A 42(7): 839-845.
• LUDWIG R.D., SMYTH D.J.A., BLOWES D.W., SPINK L., WILKIN R.T., JEWETT D.G., WEISENER C.J. 2009: Treatment of arsenic, heavy metals, and acidity using a mixed zvi-compost PRB. Environ. Sci. Technol. 43(6): 1970-1976.
• MORACI N., CALABRŇ P.S. 2010: Heavy metals removal and hydraulic performance in zero-valent iron/pumice permeable reactive barriers. J. Environ. Manage. 91(11): 2336-2341.
• MUSHOVIC P., BARTLETT T.R., MORRISON S. 2006: Hydraulic conductivity loss at the Monticello PRB leads to trial use of ex-situ treatment cell. Technology News & Trends 23: 1-3.
• PERIĆ J., TRGO M., VUKOJEVIĆ MEDVIDO-VIĆ N. 2004: Removal ofzinc, copper and lead by natural zeolite - a comparison of adsorption isotherms. Water Res. 38: 1893-1899.
• ROEHL K.E., CZURDA K., MEGGYES T., SIMON F., STEWART D.I. 2005: Long-term performance of permeable reactive barriers. Elsevier, USA. Remediation Technologies Development Forum (RTDF). 2001: Permeable Reactive Barrier Installation Profiles. http://www.rtdf.org/public/ permbarr/prbsumms/ (Accessed 10.01.2013).
• SU C.M., PULS R.W. 2004: Nitrate reduction by zero-valent iron: effects of formate, oxalate, citrate, chloride, sulfate, borate, and phosphate. Environ. Sci. Technol. 38: 2715-2720.
• TRATNYEK P.G., SCHERER M.M., JOHNSON T.L., MATHESON L.J. 2003: Permeable reactive barriers of iron and other zero-valent metals. In: M.A. Tarr [Ed.]. Chemical degradation methods for wastes and pollutants: Environmental and industrial application. Marcel Dekker, New York: 371-421.
• WOINARSKI A.Z., SNAPE I., STEVENS G.W., STARK S.C. 2003: The effects of cold temperature on copper ion exchange by natural zeolite for use in a permeable reactive barrier in Antarctica. Cold Reg. Sci. Technol. 37(2): 159-168.

Identyfikatory

DOI

10.2478/sggw-2014-0003