Φυσικοχημική συμπεριφορά γηγενούς χρωμίου στο γεωπεριβάλλον

Abstract

Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο τη μελέτη της γεωχημικής συμπεριφοράς του εξασθενούς χρωμίου στα υπόγεια ύδατα της περιοχής της Βεργίνα. Δηλαδή μελετάται το σύνολο των σημαντικότερων διεργασιών που επηρεάζουν τη μεταφορά και άρα τις συγκεντρώσεις του χρωμίου στο γεωπεριβάλλον (έδαφος-υπόγεια νερά), με ιδιαίτερη έμφαση στην προσρόφηση σε εδαφικό μέσο. Αποτελεί μέρος του προγράμματος Life+ CHARM (Chromium in Asopos groundwater system: Remediation Technologies and Measures), το οποίο, μεταξύ άλλων, έχει ως σκοπό την αξιολόγηση της επίδρασης των χαρακτηριστικών του εδάφους και των υπογείων υδάτων στην παρουσία υψηλών συγκεντρώσεων εξασθενούς χρωμίου (Cr(VI)). Για την επίτευξη του σκοπού αυτού πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του προγράμματος αυτού, διερεύνηση των περιοχών στον Ελλαδικό χώρο με συστηματικές καταγραφές χρωμίου γηγενούς προέλευσης στα υπόγεια νερά. Από τα αποτελέσματα της έρευνας επιλέχθηκε ως περιοχή μελέτης αυτή της Βεργίνας, εξαιτίας των υψηλότερων και πιο συστηματικών συγκεντρώσεων που έχουν καταγραφεί αλλά και λόγω της μεγάλης απόστασής της από ανθρωπογενείς πηγές ρύπανσης.

Προκειμένου να προσδιοριστεί η γεωχημική συμπεριφορά του χρωμίου στο φυσικό περιβάλλον της Βεργίνας, είναι απαραίτητη κατανόηση των διεργασιών που επηρεάζουν την κινητικότητα του. Για το σκοπό αυτό, μελετήθηκε η προσροφητική ικανότητα του εδάφους υπό τις γεωχημικές συνθήκες που επικρατούν στην περιοχή. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε χημική και στοιχειακή ανάλυση του εδαφικού δείγματος που λήφθηκε από την περιοχή. Με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων διαπιστώθηκε ότι υπάρχουν δύο ορυκτά που είναι πιθανό να προσροφούν το εξασθενές χρώμιο στην περιοχή: ο γκαιτίτης και ο φερυδρίτης.

Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας το λογισμικό Visual MINTEQ πραγματοποιήθηκε προσομοίωση της διεργασίας της προσρόφησης με χρήση μοντέλων επιφανειακής συμπλοκοποίησης. Το μοντέλο επιφανειακής συμπλοκοποίησης TLM (Triple Layer Model) θεωρήθηκε καταλληλότερο για τη συγκεκριμένη μελέτη. Η παραμετροποίηση του μοντέλου έγινε με βάση πειραματικά και βιβλιογραφικά δεδομένα. Για τον προσδιορισμό των συγκεντρώσεων του γκαιτίτη και του φερυδρίτη χρησιμοποιήθηκαν τα αποτελέσματα πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο Μεταλλουργίας της σχολής των Μεταλλειολόγων Μεταλλουργών Μηχανικών του ΕΜΠ.

Για την κατανόηση της προσρόφησης του χρωμίου στην περιοχή της Βεργίνας κρίθηκε απαραίτητο να διευκρινιστούν οι παράγοντες που την επηρεάζουν. Για το λόγο αυτό, εξετάστηκε η επίδραση, στην προσρόφηση του χρωμίου, των ηλεκτρολυτών και των θειικών και ανθρακικών ιόντων. Επίσης, υπολογίστηκε η προσρόφηση του χρωμίου τόσο στον γκαιτίτη όσο και στο φερυδρίτη, υπό την παρουσία του συνόλου των συστατικών του διαλύματος των υπόγειων υδάτων της. Από τη μελέτη της επίδρασης των συστατικών των υπόγειων υδάτων της Βεργίνας προκύπτει ότι τα ανθρακικά και τα θειικά ιόντα μειώνουν την προσρόφηση του εξασθενούς χρωμίου διότι ανταγωνίζονται τα χρωμικά ιόντα για την προσρόφηση στα περιορισμένα ενεργά κέντρα του προσροφητή. Γενικότερα συμπεραίνεται ότι η προσρόφηση του εξασθενούς χρωμίου στο υπέδαφος της περιοχής είναι αμελητέα.

The present study examines the geochemical behavior of geogenic hexavalent chromium (Cr(VI)) in the groundwater of Vergina basin. That means that the sum of the most important geochemical processes that affect the migration of chromium, (and therefore its concentration in the environment) was examined, with a placed emphasis on the adsorption process. It constitutes an integral part of the Life+ CHARM (Chromium in Asopos groundwater system: Remediation Technologies and Measures) funded program, which, among other things, is mainly targeted towards assessing, on the one hand, the impact of soil characteristics and groundwater into the presence of high concentrations of natural background hexavalent chromium. In order to achieve this goal, search of geogenic chromium was conducted on Greek regions with systematic recordings of Chromium. The region of Vergina was selected for further research due to the long distance of the area from anthropogenic pressures and the particularly high concentrations that has been recorded.

The study of the processes that control the migration of chromium is necessary for the understanding of its geochemical behavior in the natural environment of Vergina. For this purpose the adsorption capacity of the subsoil of Vergina was studied, in order to predict the migration of the pollutant. In particular, chemical and elemental analysis of the soil sample was conducted. According to the analysis results, there are two possible minerals with capacity for Cr(VI) sorption, goethite and ferrihydrite.

Furthermore, the Visual MINTEQ program was used to simulate the adsorption process, using a surface complexation model. The Triple Layer Model (TLM) was selected to describe chromium adsorption. Experimental and literature data were used to define the model’s parameters. The results of a series of experiments that took place at the laboratory of Metallurgy were also used to define the concentrations of the two minerals.

Additionally, the determination of the major parameters that influence the adsorption of chromium was attempted. Specifically, the influence of electrolytes, sulfates and carbonates on chromium adsorption was examined. The adsorption of chromium on goethite and ferrihydrite, if the sum of the ingredients that were measured in the groundwater of Vergina is added was also determined. According to the results of the study, the sulfates and carbonates reduce the adsorption of chromium because of the competition between them and the chromates for the functional groups in the soil surface. Generally, it is concluded that the adsorption of chromium on the subsoil of the area of Vergina is not significant.