Nanopartikler av jern (Fe 0 ) til rensing av forurenset grunn

Transkript

1 Nanopartikler av jern (Fe 0 ) til rensing av forurenset grunn Erik Joner Bioforsk Jord og Miljø Erik.Joner@bioforsk.no

2 Oversikt Nanojern hva er det? Hvordan virker det? Er det galskap eller genistrek å bevisst spre tonnevis av reaktive nanopartikler i miljøet? Positive effekter Mulige negative effekter Etiske vurderinger

3 Hva er nanojern? Nanojern; nanopartikler av Fe 0 (nano-sized Zero-Valent Iron; nzvi) Kan enkelt lages både «top-down» eller «bottom-up» Partikler er typisk mellom nm Svært reaktive (oksiderer spontant) Effektive i deklorering av klorerte hydrokarboner nzvi injiseres i undergrunnen (forurensete grunnvannsakviferer)

4 Enkel produksjon av nanojern Våtkjemisk metode: Reduksjon av Fe(III) eller Fe(II) med borhydrid (NaBH 4 ) i nærvær av en surfaktant (f.eks. CMC, PAA) Tørrkjemisk metode: Gassfasereduksjon av nanopartikler av ferrihydritt eller hematitt (brukes av NANOIRON, CZ og TODA Inc., Japan)

5 Ulike typer nzvi Monometallisk nzvi (kun Fe) Bimetalliske (Fe med Pd, Ni, etc.) Karbon eller polymerer som bærer av nzvi nzvi-emulsjoner (ezvi) (i oljeemulsjoner eller miceller)

6 Hvordan virker det? Reduktiv deklorinering av C-Cl-bindinger 6

7 Litt mer om bruk Partiklene er små og egner seg for injeksjon Gir rask og fullstendig nedbryting av klorerte forbindelser Lite arbeidskrevende og gir ingen avfallsproblemer (jfr. pump and treat, utgraving, jordvasking, etc) Kan også injiseres under bygninger

8 Full scale application in Horice (Czech Republic) An area of 120 x 60 m contaminated with PCE (TCE, DCE) to a depth of 3-10m. Contaminant concentrations were up to 70 mg/l. 82 injection wells, 300kg nzvi injected

9 Anvendelse 9

10 Pneumatic Fracturing / Liquid Atomization Injection 10

11 Trykkpulsteknologi 11

12 Anvendelse, forts. 12

13 Mulige negative effekter av nzvi nzvi brukes i konsentrasjoner på 1-10 g/l: høy konsentrasjon Injeksjons området er dyp undergrunnsjord: få organismer Partiklene er sterkt reduktive -> giftige for aerobe organismer Partiklene oksideres til Fe(II) og videre til Fe(III) som ikke er spesielt giftig i jord, men Fe(II) kan gi problemer i overflatevann. Partiklene er ikke særlig mobile 13

14 DDT degradation in soil The cumulative amount of DDT (mg kg -1 ) and its metabolites remaining in soil after 7 and 30 days incubation with nzvi B 7 days incubation in suspension o+p DDT (mg kg -1 ) DDD (mg kg -1 ) DDE (mg kg -1 ) DDT(mg kg -1 ) Control a 0.18 c 2.3 a 18.3 a 1 g nzvi 5.1 d 0.19 c 2.8 a 8.1 c 10 g nzvi 15.2 a 0.4 b 1.9 b 17.4 a 30 days incubation in suspension Control 16.1 a 0.43 b 0,04c 17 a 1 g nzvi 7.6 c 0.22 c 0,02c 7.9 c 10 g nzvi 10 b 0.91 a 0,04c 10.9 b 14

15 Continued Residual concentration of DDT and its byproducts (mg kg -1 ) degradation in sandy loam soil columns after treated with 1 g nzvi kg soil -1 and 5 leachates Soil sections DDT DDE DDD Total (mg kg -1 ) Control nzvi Top 15.48a 0.25b 0.39b 16.12a Middle 0.04d d Bottom 0.03d d Top 7.89b 0.51a 0.51a 8.91b Middle 0.13c 0.01c 0.01c 0.15c Bottom 0.1c 0.01c 0.01c 0.12c Average Fe II and Fe III concentration in soil (n=3) after 5 pore volume leachings Fe +2 mg kg -1 Fe +3 mg kg -1 Top Middle Bottom Control

16 Toxicity of nzvi to plants in tow contrasting soils nzvi concentration (mg L -1 ) El-Temsah and Joner (2011) Environmental Toxicology. 27: 42 49, 2012

17 #

18 Toxic effects on collembola Average number of adults and juveniles of Collembola 10 adults per replicate (n= 3) 7 days 30 days Adult Juveniles Adult Juveniles Soil without DDT (control) 7±0.4 68±12 8± ±13 Soil with DDT, no ZVI 9± ±1.15 2±0.7 Soil with 1000 nzvi 0 0 4±0 0 Soil with nzvi 0 0 2± nzvi + DDT 20 ppm 0 0 4± nzvi + DDT 20ppm 0 0 2±0.7 0

19 Avoidance % Effects on earthworms of fresh and aged nano-sized zero-valent iron (nzvi) in soil Avoidance test + nzvi - nzvi E. fetida L. rubellus b b c c nzvi concentration (mg kg soil -1 )sandy loam soil Percent avoidance for E.fetida and L.rubellus exposed to different concentrations of nzvi in sandy loam soil Dashed line represents the threshold at which the concentrations show a significant avoidance. c a a a a 19

20 Earthworm mortality (Continued) Acute toxicity (14 d exposure) of different concentrations of nzvi to E. fetida and L. rubellus living in sandy loam or OECD soil nzvi (mg kg soil -1 ) ND= not determined Chronic toxicity (28 d exposure) of different concentrations of nzvi to E. fetida and L. rubellus in sandy loam or OECD soil. nzvi (mg kg soil -1 ) Mortality (%) E. fetida L. rubellus Sandy loam OECD soil Sandy loam OECD soil ND 0 ND Mortality (%) E. fetida L. rubellus sandy loam OECD soil Sandy loam OECD soil ND 0 ND ND= not determined 20

21 Vurderinger av risiko og etiske aspekter Er det galskap å spre nanojern i miljøet? Risiko = Fare x eksponering : Er mobiliteten av nzvi så lav at eksponering til aerobe organismer unngås? Sammen med UMB deltar Bioforsk i etikkprosjektet Integrating Ecotoxicology and Ethics for Responsible Ecological Governance: The Case of Nanoparticles for Environmental Remediation i regi av GenØk/Fern Wickson

22 Sammendrag nzvi er effektivt i nedbryting av viktige miljøgifter Giftigheten av nzvi er moderat for jordlevende aerobe organismer Giftighet av Fe(II) for akvatiske organismer er høy nzvi oksyderes og aldres i jord og gir ikke-giftige omdanningsprodukter Mobiliteten av nzvi er lav, men oppløst Fe kan være mobilt Teknologien forbedres ved forsøk på å øke mobiliteten av nzvi 22

23 Takk for oppmerksomheten!