Effective cleanup of groundwater contaminated with radionuclides using permeable reactive barriers
(2015)
The mining of natural resources always causes environmental impacts such as land use, large quantities of waste, destruction of habitat, impairment of groundwater regime, and quite possibly contamination of soil, water, or air (Dudka and Adriano 1997). The environmental impact of mining cannot be estimated easily. The concept of total material requirement (TMR) is an attempt to quantify the environmental impact of materials. TMR is the sum of domestic and imported primary natural resources and their hidden flows (Adriaanse et al. 1997). Hidden flows are often not considered in environmental analyses because they are attributed with no cost. However, overburden from mining, earth moving for construction, and soil erosion are major sources of ecological damage. From the mining of minerals to the final products, a number of process steps take place (exploration, mine site development, extraction, milling, washing, concentration, smelting, refining, fabrication), each step being connected to other input flows such as energy or other resources. The hidden flows for metals related to metal ore mining have been investigated by Halada et al. (2001). Table 9.1 lists the data for some metals, together with the data for some other minerals and fuels. The TMR in the United States in the 1990s was between 80 and 100 tonnes per capita; in the European Union (EU-15) approximately 50 tonnes per capita (Bringezu 2002).
Elemental iron (Fe0) and hydroxyapatite (HAP) were evaluated as reactive materials in PRBs for uranium remediation. Laboratory experiments were carried out and a pilot-scale reactive barrier with Fe0 was installed in Pécs (Southern Hungary). Results of 2.5 years of operation are reported. The PRB has a considerable influence on groundwater composition: uranium concentrations decrease from 900 µg/l to <10 µg/l, TDS drop from 1,000 mg/l to 500 mg/l.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Langzeitverhalten von elementarem Eisen (Fe0) und Hydroxylapatit (HAP) in permeablen reaktiven Wänden zur Grundwassersanierung untersucht. Dabei wurden die in reaktiven Wänden ablaufenden Prozesse anhand von Säulenversuchen simuliert, bei denen künstliches Grundwasser (KGW) mit dem Modellschadstoff Uran verwendet wurde. Bei den Versuchen wurden Graugusseisengranulat der Firma Gotthart Mayer, Rheinfelden und synthetisches Hydroxylapatit der Firma Chemische Fabrik Budenheim eingesetzt. Mit beiden Materialien wurde in Langzeitversuchen mit KGW mit 9,6 mg/L Uran und 120 mg/L anorganischem Kohlenstoff ein Uranrückhalt von mehr als 99,8% bei einer durchschnittlichen Sorptionskapazität von 28,3 mg U/g HAP bzw. 38,4 mg U/g Fe0 erreicht. Mit den Eisensäulen wurden insgesamt über 2.000 Porenvolumina (PV) ausgetauscht, ohne dass ein Durchbruch der Urankonzentration im Ablauf messbar war. Eine Remobilisierung des Urans durch uranfreies KGW wurde ebenfalls nicht beobachtet. Die Nachweisgrenze für Uran betrug 10 μgL. Bei Fe0-Säulen mit ≥ 50 Gew.-% Eisenanteil, die mit carbonatreichem KGW beaufschlagt wurden, kam es nach einem Durchsatz von 800 bis 950 PV (< 0,5 L/g Fe0) zu einem Verlust der Permeabilität, so dass die Säulen nicht weiter betrieben werden konnten. Bei den HAP-Säulen kam es nach einem Durchsatz von 1.240 PV zu einem Durchbruch der Uranfront mit Urankonzentrationen > 15 μg/L im Ablauf. Nach 1.460 bzw. 2.140 PV erreichte die Urankonzentration im Ablauf 10% bzw. 50% der Zulaufkonzentration. In einem Desorptionsexperiment konnten mit 840 PV uranfreiem KGW 12,2% des Urans wieder aus einer Säule remobilisiert werden. Adsorption erwies sich als der dominante Mechanismus bei der Reaktion von HAP mit Uran. Mittels ESEM / EDX wurden in Proben mit Urangehalten von 250 mg U/g HAP uran- und phosphathaltige Kristalle nachgewiesen, die mittels Röntgendiffraktometrie als Chernikovit und Meta-Ankoleit identifiziert wurden. Damit wurde gezeigt, dass Oberflächenfällung unter günstigen Bedingungen ebenfalls stattfindet. In Fe0-Proben konnte keine Uranphase identifiziert werden. Aufgrund der ESEM-Bilder wird jedoch die Bildung eines gemischten U(IV)/U(VI)-Oxids vermutet. Während die langfristige Effektivität des HAP von dessen Sorptionskapazität bestimmt wurde, war die hydraulische Leitfähigkeit der limitierende Faktor beim Eisen. Die Zusammensetzung des KGW, vor allem der Carbonat- und Calciumgehalt, beeinflusste die Reinigungsleistung beider Systeme.