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Permeable reactive barriers (PRBs) offer an alternative as opposed to more cost-intensive active methods for groundwater remediation, e.g. pump-and-treat. Long-term performance of PRBs, however, is crucial for the technology’s success. The paper summarises the results of long-term column experiments with elemental iron (Fe0) and hydroxyapatite (HAP) as reactive materials for the removal of uranium from groundwater. Good removal results have been achieved using elemental iron with possible reaction paths being reductive precipitation and adsorption on to corrosion products of Fe0.
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.
This study was undertaken to investigate the long-term performance of hydroxyapatite (HAP) as reactive material for the removal of uranium in passive groundwater remediation systems. 237U used as a radioindicator enabled tracking the movement of the contamination front through a test column without taking samples or dismantling the apparatus. The stoichiometric ratio between uranium and HAP was found to be 1:(487±19). Uranium removal by HAP is of pseudo first-order kinetics and the rate constant was measured to be (1.1±0.1)×10-3 s-1. HAP can sorb more than 2900 mg/kg uranium. Possible reaction pathways of uranium and HAP are discussed. The data obtained enable the calculation of ideal lifetime for permeable reactive barriers (PRB) using HAP for uranium removal neglecting hydrological factors that may impair the function of PRBs.
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.
The present work shows that U can be effectively removed from groundwater using permeable reactive barriers with hydroxyapatite (HAP) as reactive material. The main factor influencing the removal processes is the composition of the groundwater, namely the concentration of Ca and carbonate. Sorption of U onto the HAP surface seems to be the dominant removal process with the possibility of remobilisation. Newly formed U-phosphate minerals were detected by ESEM/EDX and XRD in samples with high U content indicating either a dissolution-precipitation mechanism or sorption onto the apatite surface followed by alteration of the structure. The formed U-phosphate minerals are stable under common groundwater conditions and can be remobilised only at high pH-values and high carbonate concentrations.