Reduction of chlorinated organic compounds by zero-valent iron
Redukce chlorovaných organických látek reakcí s elementárním železem
Vedoucí/Supervisor
Prof. Ing. Václav Janda, CSc.
Jazyk/Language
Czech
Abstrakt
Znečištění podzemních vod chlorovanými organickými látkami je v současné době významným problémem. Ke kontaminaci podzemní vody dochází nejčastěji infiltrací z území průmyslových podniků. Podzemní vodou jsou pak tyto látky transportovány do vzdálenosti až několika desítek kilometrů od zdroje znečištění.
Tato práce se zabývá odstraněním chlorovaných ethylenů jako je tetrachlorethylen (PCE) a trichlorethylen (TCE), chlorfenolů, chlorhydrochinonů a chlorchinonů z vodného prostředí reakcí s elementárním železem. PCE a TCE jsou nejčastějšími kontaminanty podzemních vod. Jsou široce používány v průmyslovém odvětví především jako odmašťovače. Chlorfenoly byly v minulosti používány jako pesticidy a fungicidy. Také sloužily jako prostředky na ochranu dřeva proti škůdcům. Chlorchinony jsou meziprodukty rozkladu chlorfenolů. Vznikají také při desinfekci pitné vody chlorem. Pokud dochází k redukci chlorovaných látek elementárním železem, je možné této reakce v praxi využít jako technologie in situ, kde je železo náplní reaktivních permeabilních bariér.
Sledovali jsme účinnost železa na odstranění látek a vznik vedlejších produktů. Experimenty jsme prováděli vsádkově a v kolonových testech s různými typy železa. Redukce PCE vede přes TCE, 1,2-dichlorethyleny, vinylchlorid až na ethylen. Zjistili jsme účinnost železa na odstranění PCE v reálných vzorcích z několika lokalit: Přeštice, Liberecko a Milovice. Reakce byla popsána kinetickou rovnicí podle prvního řádu, ale protože je tento popis nepřesný a nezahrnuje řadu faktorů ovlivňujících reakci, aplikovali jsme na naměřená data komplexní matematický model zahrnující sorpci látek na aktivní místa povrchu železa. Hlavním produktem redukce chlorfenolů by měl být fenol. Žádné produkty reakce elementárního železa s chlorfenoly ani s chlorhydrochinony a chlorchinony však nebyly nalezeny. Lze konstatovat, že se tyto látky odstraňují z prostředí především sorpcí.
Abstract
Chlorinated solvents, such as tetrachlorethene (PCE) and trichlorethene (TCE) are very frequent groundwater pollutants. Chlorinated hydrocarbons are widely used in a range of industries including dry cleaning, metal parts fabrication and insecticide and herbicide production. Chlorophenols were mainly used as pesticides and fungicides or as a wood preservation. Their leaching from industrial zones causes the ground water contamination in surrounding areas. Permeable reactive barriers containing zero-valent iron are effective for removal of these compounds from contaminated groundwater.
In the present thesis, reaction pathways, efficiency and reaction products of the reactions of chlorinated compounds with zero-valent iron were investigated. Moreover, the effect of factors such as iron pre-treatment and pH and composition of groundwater on the reaction of PCE with zero-valent iron were investigated. Experiments were carried out in batch and column systems.
Prevailing reaction products of chlorinated ethenes were hydrocarbons and chloride ions. The reaction runs via TCE, 1,2-dichlorethenes (DCEs), 1,1-DCE and vinyl chloride (VC) to ethylen. Positive effect acid pre-treatment of iron was also identified. The possibility of use of zero-valent iron for decontamination of groundwater was verified treating real samples of contaminated groundwater from several localities: Přeštice site, Liberec area and Milovice site. Dehalogenation of chlorinated phenols, chloroquinones and chlorohydroquinones by zero-valent iron was also investigated. No intermediate products of the dehalogenation reaction were found. Adsorption of these compounds on iron was probably responsible for the removal of the chlorinated aromatic compounds from solution.
Reactions with zero-valent iron are frequently described with first order kinetics. However, it was shown in the present thesis that more sophisticated model is needed for exact modeling of these reactions. The dehalogenation reactions were modeled by non-stationary model of heterogenous reactions, included specific surface area and adsorption and desorption reactions. Successful application of the latter kinetic model to experimental data from dechlorination of chlorinated hydrocarbons was performed.