Transport of environmental contaminants in saturated porous media

Titelangaben

Lu, Taotao:
Transport of environmental contaminants in saturated porous media.
Bayreuth , 2022 . - IV, 165 S.
( Dissertation, 2021 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

With the development of industrial and agricultural activities, groundwater pollution is becoming a more serious concern. The presence of contaminants in groundwater is known to significantly increase the occurrence of diseases, which constitutes a significant threat to physical health. Water is a substance necessary to the human body, as well as a natural carrier of contaminants. Thus, contaminants can transport in porous media with groundwater flow. Understanding the migration patterns of contaminants in groundwater aquifers can provide valuable information for solving groundwater pollution problems. In addition, although contaminants can dissolve or suspend in water and migrate with the water flow, they are more likely to bind strongly to porous media, allowing most contaminants to be retained in the porous media. Therefore, it is crucial to elucidate the interactions between environmental contaminants and porous media in order to reduce the potential risks of these contaminants to physical health. In this dissertation, typical and new emerging environmental contaminants, namely heavy metals, petroleum colloids, and nanoplastics, were chosen as study subjects. Column experiments were conducted to investigate the migration patterns of these contaminants in saturated porous media (quartz sand, sandy soil, iron oxyhydroxide coated sand, clay minerals) under different hydrochemical conditions (low-molecular-weight organic acids, pH, ionic strength, etc.). Meanwhile, batch experiments and numerical simulations were also carried out to comprehensively understand the interaction mechanisms between the pollutants and porous media. In total, 4 studies were addressed in the present dissertation. In study 1, the effects of low-molecular-weight organic acids (LMWOAs) and competing cations (Pb2+) on the transport of heavy metal (Cd2+) in saturated pure quartz sand under different pHs were discussed. At pH 5, LMWOAs inhibited the transport of Cd2+, and inhibition capacity decreased in the following sequence citric acid > tartaric acid > acetic acid, which depends on their molecular structures (i.e., amount and type of functional groups) and complexing strength with Cd2+. Contrastingly, at pH 7, LMWOAs promoted the transport of Cd2+ due to the formation of stable aqueous non-adsorbing Cd-organic acid complexes. Pb2+ promoted Cd2+ transport due to its stronger complex affinity to citric acid. Therefore, the effects of solution chemistry play an important role in the transport of heavy metal ions. In study 2, the transport of petroleum colloids in quartz sand and sandy soil was studied. More petroleum colloids were retained with increasing ionic strength (IS) as well as decreasing pH. This observation can be explained by the increase in hydrodynamic diameter of petroleum colloids under these conditions, resulting in apparent physical straining. On the other hand, the electrostatic repulsion between colloids and grain surfaces reduces. In addition, greater mobility of petroleum colloids was found in the sand rather than in soil. This can be ascribed to the unique physicochemical properties of soil, like containing a lot of metal oxides and clay minerals. Hence, the solution chemistry and the porous media characteristics greatly influence the migration of petroleum colloids. In study 3, the migration of polystyrene nanoplastics (PS-NPs) in iron oxyhydroxide coated quartz sand under different water chemistry conditions was investigated. The effect of iron oxyhydroxide coated sand on PS-NPs transport was greater than that in pure quartz sand under the same conditions. For most cases (pH < 9), the iron coating was positively charged, while PS-NPs were negatively charged. Thus, electrostatic attraction is the main reason for the weakened PS-NPs transport. In addition, solution chemistry changed the surface charge of PS-NPs and uncoated quartz sand, resulting in changes in the interaction energy between them. Charge heterogeneity of porous media is crucial for PS-NPs transport. In study 4, the effects of porous media properties on PS-NPs transport were further investigated based on the findings of study 3. Different clay minerals were used to understand their influence. Compared with quartz sand, clay minerals have a relatively high surface charge, which results in PS-NPs being more easily deposited onto clay minerals. Thus, both kaolinite and illite inhibited the transport of PS-NPs. Except for the permanent negative charges, some variable charges on the edge of the clay mineral are sensitive to the water chemistry. The positive edge sites of kaolinite and negative edge sites of illite under experimental conditions (pH 5.9) led to a stronger inhibition on PS-NPs transport in kaolinite than illite. It can be seen that the transport of environmental contaminants is closely related to the properties of contaminant and porous media, as well as water chemistry conditions. In order to obtain a more precise understanding, all these factors need to be taken into account when evaluating contaminant transport in groundwater aquifers

Abstract in weiterer Sprache

Die Zunahme der industriellen und landwirtschaftlichen Aktivität führte in der Vergangenheit zu einer ansteigenden Verschmutzung des Grundwassers. Grundwasser wird weltweit als primäre Trinkwasserquelle genutzt wird, weshalb sich die ansteigende Belastung des Grundwassers mit Schadstoffen direkt negativ auf die menschliche Gesundheit auswirkt. Im Grundwasser kontrollieren advektive und dispersive Prozesse den Transport bzw. die Mobilisierung von Schadstoffen. Interaktionen mit dem porösen Medien können zu einer langfristigen oder temporären Immobilisierung von Schadstoffen in Grundwasserleitern führen. Für die Entwicklung effektiver Maßnahmen, die dem zunehmenden Verschmutzungsgrad von Grundwasser entgegenwirken, ist deshalb ein prozessbasiertes Verständnis hinsichtlich der Wechselwirkung zwischen Schadstoffen und dem porösen Medium von Grundwasserleitern notwendig. Als Teil dieser Dissertation wurden typische und in der Vergangenheit verstärkt auftretende Schadstoffe in der Umwelt, wie Schwermetalle, Erdölkolloide und Nanoplastik, auf ihre Transportverhalten in porösen Medien hin untersucht. Das Mobilitäts- und Retartationsverhalten dieser Stoffe wurde als Teil von Säulenexperimenten mit unterschiedlichen, umweltrelevanten porösen Medien (Quarzsand, Sandböden, mit Eisenoxid beschichteter Sand, Tonminerale) unter verschiedenen hydrochemischen Bedingungen (niedermolekulare organische Säuren, pH-Wert, Ionenstärke), untersucht. Ergänzt wurden die Säulenexperimente durch Batch-Versuche sowie modellgestützte Simulationen, um so die Mechanismen der Wechselwirkung zwischen Schadstoff und porösem Medien umfassend und mechanistisch zu erforschen. Die vorliegende Dissertation umfasst insgesamt 4 Studien. In Studie 1 wurde die Auswirkung von niedermolekularen organischen Säuren (LMWOAs) sowie konkurrierender Kationen (Pb2+) auf den Transport von Schwermetall (Cd2+), in wasser-gesättigtem Quarzsand bei unterschiedlichen pH-Werten, untersucht. Bei niedrigen pH-Werten (pH 5) hemmten LMWOAs den Transport von Cd2+ deutlich, wobei die Hemmungskapazität entsprechend der Reihenfolge Zitronensäure > Weinsäure > Essigsäure abnahm. Die Abnahme der Hemmungskapazität konnte auf die molekulare Struktur der Säuren (d.h. Menge und Art der funktionellen Gruppen) und der damit verbundeneren Komplexierungsstärke mit Cd2+ zurückgeführt werden. Im Gegensatz dazu wird bei pH 7 die Mobilität von Cd2+, durch die Bildung stabiler wassergelöster und nicht-adsorbierender Cd-Säurekomplexe, gefördert. Pb2+ förderte die Mobilität von Cd2+ aufgrund seiner stärkeren Komplexaffinität zu Zitronensäure. Ergebnisse dieser Studie zeigen wie sehr die Zusammensetzung des Porenwassers sowie die darin ablaufenden lösungschemischen Effekte den Transport von Schwermetallionen im porösen Medium kontrollieren. In Studie 2 wurde das Transportverhalten von Erdölkolloiden in Quarzsand sowie sandigen Böden untersucht. Die Retention von Erdölkolloiden nahm mit zunehmender Ionenstärke (IS) sowie mit abnehmendem pH-Werten zu. Die abnehmende Mobilität ließ sich 1) durch die Zunahme des hydrodynamischen Durchmessers von Erdölkolloiden bei niedrigeren pH-Werten bzw. höheren IS und der damit verbundenen Zunahme des „physical straining“ Effekts bei dem Porenräume blockiert werden, sowie 2) durch die Verringerung der elektrostatischen Abstoßung zwischen Kolloiden und Kornoberflächen des porösen Mediums erklären. Darüber hinaus wurde eine generelle erhöhte Mobilität von Erdölkolloiden im Sand im Vergleich zu sandigen Böden festgestellt. Dies kann auf die besonderen physikochemischen Eigenschaften des benutzten Bodens zurückgeführt werden (hoher Anteil an Eisenoxiden und Tonmineralen). Ebenso wie bereites in Studie 1 für Schwermetallionen gezeigt werden konnte, spielt die geochemische Zusammensetzung des Porenwassers sowie die Oberflächeneigenschaften des Porösen Mediums eine zentrale Rolle bei der Mobilität von Erdölkolloiden. In Studie 3 wurde das Migrationsverhalten von Polystyrol-Nanokunststoff-Partikeln (PS-NPs) in mit Eisenoxid beschichtetem Quarzsand, unter Berücksichtigung verschiedener wasserchemischer Bedingungen, untersucht. Das Vorhandensein von Eisenoxiden hatte dabei einen großen Einfluss auf die Mobilität von PS-NP-Partikeln. Bei niedrigen pH-Werten war die Oberfläche der Eisenbeschichtung positiv geladen, während die PS-NPs negative Oberflächenladung aufwies. Die sich daraus ergebenden elektrostatischen Anziehungskräfte, zwischen PS-NPs und dem beschichteten porösen Medium, wurde als Hauptursache für die beobachtete hohe Retention bei niedrigen pH-Werten identifiziert. Die Oberflächenladung der PS-NP Partikel sowie des Quartzsandes wurde dabei maßgeblich von der chemischen Beschaffenheit der Porenwassers bestimmt, was sich direkt auf die Partikel-Matrix Wechselwirkungen auswirkte. In Studie 4 wurden die Auswirkungen der Eigenschaften poröser Medien auf den PS-NPs-Transport, basierend auf den Ergebnissen von Studie 3 untersucht. Hier lag der Fokus auf dem Verhalten von PS-NPs in porösen Medien mit unterschiedlichen Tongehalten und Tonmineralien (Kaolinit und Illit). Im Vergleich zu Quarzsand haben Tonminerale eine hohe Oberflächenladung mit einer höheren Bindungsaffinität zu PS-NPs. Da die verwendeten Tonminerale unterschiedlich Ladungseigenschaften aufweisen, die stark von der chemischen Zusammensetzung des Porenwassers abhängen, verhalten sich PS-NPs unterschiedlich bei Anwesenheit von Kaolinit und Illit. Die positiv geladenen Randstellen von Kaolinit führten unter den experimentellen Bedingungen (pH 5.9) zu einer verstänkerten Retention von PS-NPs im Vergleich zu Illit. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Transportverhalten der untersuchten Schadstoffe 1) von der oberflächeneigenschaften des Schadstoffes, 2) den chemischen Bedingungen im Porenwasser und 3) der ladungsspezifischen Eigenschaften des porösen Mediums kontrolliert wird. Diese Aspekte müssen berücksichtigt werden, um den Transport dieser Schadstoffe in Grundwasserleitern besser bewerten zu können.