Järnsulfidbelagd sand kan användas för att avskilja bl a metaller och halogenerade kolväten från grundvatten in situ. Här menar författarna att detta material kan vara gynnsammare än det vanligare alternativet elementärt järn ur igensättningssynpunkt.
Av: Jörgen Hanaeus
Järnsulfidmaterial har visats framgångsrikt i att avskilja flera komponenter i låga koncentrationer: arsenik, halogenerade organiska material såsom tri- och tetrakloretylen samt flera tungmetaller. Däremot finns mindre information tillgänglig vad gäller de fysiska förutsättningarna att driva dessa reningsprocesser och det är väsentligt att utfällningar och gasbildning inte minskar permeabiliteten påtagligt. Här visas laboratorieexperiment påbyggda med modellberäkningar för ett grundvatten från Utah och jämförelser görs med det vanligaste materialet i reaktiva barriärer: elementärt järn.
Bakgrund
Reaktiva barriärer in situ har fått ökad användning vid behandling av förorenat grundvatten. Ett flertal barriärmaterial har provats, såsom gjutjärn, stålull, amorf järnoxid, zeolit, aktivt kol, fosfat eller kalksten. År 2004 fanns drygt 200 anläggningar i världen, varav 2/3 var järnbaserade. Bland dessa dominerar (alltjämt) elementärt järn (ZVI, zero-valent iron) som är ett starkt reducerande ämne. När det oxideras finns risk för vätgas- eller kvävgasbildning eller pH-ökning, processer som alla kan leda till en minskad permeabilitet i materialet. Permeabilitetsförluster med mer än 90 % har noterats i ZVI-materialet, främst i nivån närmast ovanliggande material.
Sådana effekter har ökat intresset för alternativa material och järnsulfid, FeS, Mackinawite, är ett sådant som också är starkt reducerande och med god förmåga till sorption av många material som halogenerade organiska ämnen, arsenik och många tungmetaller.
I föreliggande artikel undersöks järnsulfiden med fokus på permeabiliteten. De ämnen i vattnet som är intressanta för permeabiliteten är inte i första hand de föroreningar som önskas avskiljda; dessa finns i så låga koncentrationer att eventuella utfällningar inte påverkar permeabiliteten. Det är snarare kalcium, karbonat och – med tanke på potentiell gasbildning – nitrat och sulfat, som är viktiga komponenter att undersöka.
Kolonnförsök
Försökskolonner av plexiglas med 5 cm innerdiameter och 25 cm höjd fylldes med sand i skikt om 5 mm som packades med lätt vibration. Porositeten blev 0,31. Syntetisk FeS kan inte upprätthålla permeabiliteten, varför en lösning av FeS blandades med sandkorn för att få en belagd struktur där ev utfällnings- och gasbildningsaktivitet orsakad av sulfidmaterialet kunde undersökas. Sanden preparerades enligt: 1,3 mg FeS/g sand med diameter ca 0,2 mm blandades i en koncentration av 2 g FeS-suspension/l.
Till kolonnerna fördes så syntetiskt grundvatten, med sammansättning liknande grundvatten från Monticello, Utah, som haft stora permeabilitetsproblem med barriärer av elementärt järn. Tre vattenkompositioner provades: 1) 280 mg Ca2+/l och 420 mg CO32-/l till pH 6,0 samt 405 mg Cl–/l. 2) Som 1), men därtill 100 mg NO3–/l och 63 mg K+/l. 3) Som 2), därtill 1170 mg SO42-/l men med lägre kloridhalt: 120 mg Cl–/l samt pH 6,3.
Vatten 2) fördes i tidigare försök till en kolonn med korn av elementärt järn, vilket utgjorde en referens.
Anaeroba förhållanden garanterades och flödet (upflow) var ca 1 l/d, motsvarande en filterhastighet av 7 cm/d. Varje försök drevs till dess att 200 porvolymer omsatts; författarnas erfarenheter var att detta var tillräckligt för att bedöma trender i permeabiliten.
Resultat av labförsöken
För alla tre vattensammansättningarna var utgående pH stabilt, ca 6,3 liksom kalciumhalten 280 mg Ca2+/l. Röntgenanalys på prover av utgående vatten visade att proven svarade mot syntetisk FeS och några egentliga utfällningar bildades alltså inte. Permeabiliteten behölls i stort sett oförändrad under tiden de 200 porvolymerna omsattes. Ingen gasproduktion kunde noteras.
Det tidigare referensförsöket med elementärt järn (ZVI) gav ett initialt högt (8,8) och därefter fallande pH. Dessutom sjönk utgående Ca-halt till ca 170 mg/l. Röntgen och svepelektronmikroskopi visade på kalciumkarbonat- och trevärt järn- beläggningar på järnytorna. Permeabiliteten sjönk till några % av utgångsvärdet efter 200 porvolymers drift.
Modellering
Den geokemiska modellen PHREEQC från 1999 och datasetet WATEQ4F från 1991 användes för FeS-systemen. De vattenkomponenter som fanns i högre koncentrationer nyttjades i modellarbetet; inte föroreningskomponenterna. Viss mikrobiologisk aktivitet tilläts i modellen – sådan förväntades inte i de beskrivna labexperimenten i en utsträckning som kunde påverka permeabiliteten – men i modelleringen tilläts högre nitrathalter, vilket kan tänkas bidra till viss bakteriell verksamhet.
Modellens angivna mängd utfälld fast substans omvandlades med Kozeny-Carmans ekvation till permeabilitet.
Slutsatser
Den experimentella delen visade att ingen minskning av permeabiliteten för FeS-materialet skedde under försöksperioden.
Modelleringsresultatet, där högre nitrathalter och tillåten bakteriell aktivitet inkluderades, gav en största reduktion av permeabiliteten till följd av fast material (utfällningar) av ca 1 %. Däremot orsakade höga nitrathalter och bakteriell aktivitet en gasbildning som reducerade permeabiliteten med ca 30 %.
Utfallet var alltså bättre än för ZVI som tappade i stort sett hela permeabiliteten vid motsvarande betingelser.
Jämfört med svenska grundvattenförhållanden är joninnehållet högt och sulfathalter av 1g/l inte så vanliga. Gasbildningens inflytande på permeabiliteten är dock en intressant infallsvinkel.
Källa: Henderson, A. & Demond, A.H.(2013): Permeability of iron sulphide (FeS)-based materials for groundwater remediation. Water Research, 1267-1276.
Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.
Författarna: University of Michigan, Dep of Civil Engineering, 1351 Beal Avenue, Ann Arbor, MI 48109-2125, USA.
Kontakt: andrew.d.henderson@uth.tmc.edu
