Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

Zero valent iron (ZVI) sorbents have successfully remediated soils burdened with different groups of contaminants. When working to alleviate arsenic (As) contamination, the location-specific subsurface chemistry greatly affects the efficiency of the sorbents as it controls the speciation of As and the transformation of the ZVI, as well as the interaction between these (remediating mechanisms). Hence, planning for such full-scale remediation should suitably be based on lab-scale tests mimicking the in-field conditions of the site in question. In Hjältevad, Sweden, wood impregnation practices with chromated copper arsenate (CCA) has contaminated an anoxic aquifer with As. In-field speciation of As has indicated that the expected form is dominating, which is the more mobile species As(III). This study aimed to test the long-term efficiency of different variants of commercially available ZVI towards As immobilization in the sediment from Hjältevad, mimicking the on-site anoxic conditions and groundwater composition. Additionally, this study included an optimization of a method for analyzing sub μg L-1 concentrations of As with inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), and optimization of the column test design.
A long-term bottom-up flow column experiment containing sediment from Hjältevad was performed, testing micro-sized ZVI, nano-sized ZVI and their sulfidated counterparts, each in a separate column. The eluates collected from the respective columns were compared with each other and previously performed batch tests of the same composition. The non-sulfidated sorbents showed better efficiency in the simulated Hjältevad conditions in both column and batch tests. Both nano-sized sorbents initially increased mobilization of As from the column system, before shifting to an immobilizing phase. Increased pH and decreased redox potential in the eluates from all sorbent-treated columns in comparison with non-treated columns indicated corrosion of the ZVI core. This study suggests the micro-sized ZVI (Ferox Target, Hepure) for Hjältevad, as it performed the best in the long-term column tests (99.7 % retention of the column As). Reaction mode with O2 was found as the optimal method to analyze sub μg L-1 concentrations of As with ICP-MS. Column experiments with sandy sediment testing ZVI performance for As was found to work well by replacing the provided filters with 70 μm Nylon mesh filter and without inducing aggregation of the sorbents with NaCl.

Keywords: Zero valent iron, ZVI, Remediation, Anoxic, Column tests, ICP-MS

Nollvärdiga järn-sorbenter (ZVI) har med god framgång avhjälpt kontaminering av olika grupper av markföroreningar. Vid tillfällen denna åtgärd riktas mot arsenikförorening är den platsspecifika markkemin styrande i effektiviteten av sorbenten då den inte bara styr specieringen av arsenik (As) utan även omvandlingen av sorbenten, såväl som interaktionen mellan dessa (de åtgärdande mekanismerna). Därmed bör planering för fullskaliga saneringar av denna typ lämpligen föregås av tester i laboratorieskala som efterliknar fältförhållandena på platsen i fråga. I Hjältevad har träimpregnering med kromerat koppararsenat (CCA) förorenat en anoxisk akvifär med As. Speciering av As i fält har indikerat att den förväntade As(III)-formen dominerar, som också är relativt mobil. Denna studie syftade till att testa den långsiktiga effektiviteten av olika varianter av kommersiellt tillgängligt ZVI när det gäller dessas kapacitet för As-immobilisering i sediment från Hjältevad, med återskapande av de anoxiska förhållandena och grundvatten-kompositionen i marken på platsen. Dessutom omfattar denna studie en optimering av en metod för att analysera sub μg L-1-koncentrationer av As med induktivt kopplad plasma mass-spektrometri (ICP-MS), och optimering av kolonntestdesign.
Ett långtidsexperiment med kolonner med uppåtriktat flöde innehållande sediment från Hjältevad genomfördes för att testa mikro-dimensionerad ZVI, nano-dimensionerad ZVI och deras sulfiderade motsvarigheter, i separata kolonner. Eluenterna som samlats från respektive kolonn jämfördes med varandra och med tidigare genomförda skaktester med samma sammansättningar. De icke-sulfiderade sorbenterna uppvisade bättre effektivitet i de simulerade Hjältevad-förhållandena i både kolonn- och skak-test. Bägge nano-sorbenter ökade till en början mobiliseringen av As från kolonnerna innan de övergick till en immobiliserande fas. Ökat pH och minskad redox-potential i eluenten från samtliga sorbent-behandlade kolonner i jämförelse med icke-behandlade kolonner indikerade korrosion av ZVI-kärnan. I denna studie förordas den mikro-dimensionerade ZVI (Ferox Target, Hepure) för Hjältevad, då den presterade bäst i långtids-kolonnförsöken (99.7 % retention av kolonnens As). Reaktions-läge med O2 fastställdes som den optimala metoden för att analysera sub-μg L-1-koncentrationer av As med ICP-MS. Kolonn-experimentet med sandigt sediment för test av ZVI för As-sanering visade sig fungera bra genom att ersätta de medföljande filtren med 70 μm Nylon-nätfilter och utan att inducera aggregering av sorbenterna med NaCl.

Nyckelord: Nollvärdigt järn, ZVI, Sanering, Anoxisk, Kolonn-test, ICP-MS