Σύνθεση και χρήση νανοδομημένου σιδήρου για τον καθαρισμό υπογείων υδάτων ρυπασμένων με εξασθενές χρώμιο

Abstract

Η αύξηση των επιπέδων της ρύπανσης των επιφανειακών και υπόγειων νερών τις τελευταίες δεκαετίες έχει εισάγει μια εξαιρετικά σοβαρή απειλή για την ισορροπία των οικοσυστημάτων, τη βιοποικιλότητα, και για την ανθρώπινη υγεία. Υπάρχουν πολλές ανθρώπινες δραστηριότητες που μπορεί να οδηγήσουν στην συσσώρευση οργανικών και ανόργανων ρύπων στα επιφανειακά και υπόγεια ύδατα. Στη χώρα μας χαρακτηριστικά αναφέρονται τα πρόσφατα παραδείγματα ρύπανσης με εξασθενές χρώμιο των εδαφών και των υπογείων υδάτων της ευρύτερης περιοχής του Ασωπού ποταμού, της Εύβοιας και της Αργολίδας. Για την απορρύπανση των υπογείων υδάτων έχουν προταθεί πολλές λύσεις. Η έρευνα για τη χρήση του νανοσιδήρου στην επί τόπου αποκατάσταση υπόγειων υδροφορέων αποτελεί πρότυπη τεχνική με σημαντικά πλεονεκτήματα. Αποτελεί μια επί τόπου τεχνική με ήπιες παρεμβάσεις στο χώρο, που περιλαμβάνουν κυρίως συστήματα έκχυσης του νανοσιδήρου στο ρυπασμένο υπέδαφος και συστήματα παρακολούθησης των επιπέδων απορρύπανσης. Επίσης, η σχετική ταχύτητα των αντιδράσεων απορρύπανσης λόγω της πολλαπλάσιας ειδικής επιφάνειας και μεγάλης ενεργότητας του νανοσιδήρου είναι πολύ μεγαλύτερη έναντι αυτής των συστημάτων που περιλαμβάνουν χρήση μεταλλικού σιδήρου. Στη μελέτη αυτή, παρασκευάστηκε νανοσίδηρος σε εργαστηριακή κλίμακα και ελέγχθηκε για τον καθαρισμό διαλυμάτων εξασθενούς χρωμίου. Η παραγωγή του νανοσιδήρου έγινε με αναγωγή διαλύματος χλωριούχου σιδήρου με διάλυμα βοροϋδριδίου του νατρίου. Ο παραχθείς νανοσίδηρος χαρακτηρίστηκε με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης και περιθλασίμετρο ακτίνων Χ. Για τον έλεγχο της αποτελεσματικότητας του νανοσιδήρου για την αναγωγή και καταβύθιση του εξασθενούς χρωμίου και τον καθαρισμό διαλυμάτων που περιέχουν χρώμιο πραγματοποιήθηκαν εργαστηριακές δοκιμές σε κωνικές φιάλες. Εξετάστηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων όπως η αρχική τιμή pH του διαλύματος, η αρχική συγκέντρωση του εξασθενούς χρωμίου και η ποσότητα προσθήκης του νανοσιδήρου. Διαπιστώθηκε ότι τόσο το pH όσο και η αρχική συγκέντρωση του χρωμίου στο διάλυμα επηρεάζουν το ρυθμό απομάκρυνσης του χρωμίου από το διάλυμα. Επιπλέον, οι χαμηλές αρχικές τιμές pH οδήγησαν σε αυξημένη τελική συγκέντρωση χρωμίου στο διάλυμα. Σε γενικές γραμμές, συμπεραίνεται ότι ο νανοσίδηρος που παρήχθη μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά για την ακινητοποίηση του εξασθενούς χρωμίου στα υπόγεια ύδατα.The increase of the pollution levels of surface and underground waters in the last decades constitutes a major and serious threat for the ecosystems, biodiversity and human health. There are several activities that lead to the progressive accumulation of organic and inorganic pollutants in surface and underground waters. In Greece, the most characteristic examples are referred to the recent pollution with hexavalent chromium (Cr(VI)) of soils and surface and underground waters of the wider area of Asopos river, Evia island and Argolida region. For the cleaning of underground waters many different methods have been proposed. The research on the use of nanoscale Zero Valent Iron (nZVI) for in situ remediation of underground aquifers constitutes an innovative method with significant advantages. It is an in situ technique with mild area interventions, which mainly include nZVI dispersion systems in polluted soil and pollutant levels monitoring systems. Due to the large specific surface area and the reactivity of nZVI, the specific rate of cleaning reactions is much greater than the respective rate in microscale zero valent iron systems. In this study, nZVI was produced at bench scale and tested for cleaning up hexavelent chromium solutions. Nanoscale zero valent iron was produced by reducing ferric iron chloride solution using sodium borohydride solution. The produced nZVI was characterised by Scanning Electron Microscope and X-ray Diffraction Techniques. Batch kinetic experiments were conducted to investigate the effectiveness of nZVI for hexavent chromium reduction and precipitation leading to the purification of chromium containing solution. Several parameters were examined including initial solution pH, hexavalent chromium concentration in the solution and nZVI addition rate. It has been indicated that both pH and initial chromium concentration in the solution affect the removal rate of chromium. Furthermore, low initial pH values resulted in increased final chromium concentration in the solution. In general, it has been concluded that the nZVI produced can effectively be used for the immobilisation of hexavalent chromium in groundwater.

The increase of the pollution levels of surface and underground waters in the last decades constitutes a major and serious threat for the ecosystems, biodiversity and human health. There are several activities that lead to the progressive accumulation of organic and inorganic pollutants in surface and underground waters. In Greece, the most characteristic examples are referred to the recent pollution with hexavalent chromium (Cr(VI)) of soils and surface and underground waters of the wider area of Asopos river, Evia island and Argolida region. For the cleaning of underground waters many different methods have been proposed. The research on the use of nanoscale Zero Valent Iron (nZVI) for in situ remediation of underground aquifers constitutes an innovative method with significant advantages. It is an in situ technique with mild area interventions, which mainly include nZVI dispersion systems in polluted soil and pollutant levels monitoring systems. Due to the large specific surface area and the reactivity of nZVI, the specific rate of cleaning reactions is much greater than the respective rate in microscale zero valent iron systems. In this study, nZVI was produced at bench scale and tested for cleaning up hexavelent chromium solutions. Nanoscale zero valent iron was produced by reducing ferric iron chloride solution using sodium borohydride solution. The produced nZVI was characterised by Scanning Electron Microscope and X-ray Diffraction Techniques. Batch kinetic experiments were conducted to investigate the effectiveness of nZVI for hexavent chromium reduction and precipitation leading to the purification of chromium containing solution. Several parameters were examined including initial solution pH, hexavalent chromium concentration in the solution and nZVI addition rate. It has been indicated that both pH and initial chromium concentration in the solution affect the removal rate of chromium. Furthermore, low initial pH values resulted in increased final chromium concentration in the solution. In general, it has been concluded that the nZVI produced can effectively be used for the immobilisation of hexavalent chromium in groundwater.