Durch die Dekontaminationsmethode werden Schadstoffe aus dem Boden entfernt

Filtersysteme sind darauf ausgelegt, mehrere Schadstoffe gleichzeitig aus Wasser oder Luft zu entfernen, Schadstoffe im Boden können jedoch – zumindest im Moment – ​​nur einzeln oder nur wenige gleichzeitig bekämpft werden.

Eine von Wissenschaftlern der Rice University und Mitarbeitern des United States Army Engineer Research and Development Center (ERDC) entwickelte Methode könnte dazu beitragen, Bodensanierungsprozesse von Einzelstücken auf Massensanierung umzustellen.

Ein Team von Rice-Wissenschaftlern unter der Leitung des Chemikers James Tour und Forschern aus den Bereichen geotechnische Strukturen und Umwelttechnik des ERDC zeigte, dass das Mischen von verschmutztem Boden mit ungiftigen, kohlenstoffreichen Verbindungen, die elektrischen Strom antreiben, wie z Stromstöße spülen sowohl organische Schadstoffe als auch Schwermetalle aus, ohne Wasser zu verbrauchen oder Abfall zu erzeugen.

Entsprechend eine Studie veröffentlicht in NaturkommunikationDie elektrischen Impulse bringen die Bodentemperatur je nach Bedarf in Sekundenschnelle auf 1.000–3.000 Grad Celsius (1.832–5.432 Fahrenheit) und verwandeln organische Verunreinigungen in ungiftige Graphitmineralien und giftige Schwermetalle in Dampf, der über Absaugrohre gesammelt wird. Darüber hinaus wirkt sich der Prozess positiv auf die Bodenfruchtbarkeit aus. Experimente haben gezeigt, dass sich die Keimraten in saniertem Boden um 20–30 % verbessern.

„Unser elektrothermischer Hochtemperaturprozess kann mehrere Schadstoffe gleichzeitig entfernen“, sagte Hauptautor Bing Deng, ein Postdoktorand im Tour-Labor. „Diese neu etablierte Methode, die wir Hochtemperatur-Elektrothermieverfahren (HET) nannten, basiert auf der Flash-Joule-Heiztechnik, die wir vor einigen Jahren entwickelt haben. Es ist das erste Mal, dass direkte elektrische Heizung zur Bodensanierung eingesetzt wird.“

Schwermetalle wie Blei, Arsen, Zink, Kobalt, Kupfer, Quecksilber und Nickel sowie organische Schadstoffe wie Pestizide und Mikroplastik sind die Hauptschadstoffe im Boden. Neben anthropogenen Aktivitäten können auch Naturereignisse wie Erdbeben und Überschwemmungen zu einer Bodenverunreinigung führen: Giftige Asche, die durch Waldbrände freigesetzt wird, wie sie Hawaii im August verwüsteten, oder potenzielle Industrieabfälle, die durch das Auftauen von Permafrost in der Arktis freigesetzt werden, könnten große Gebiete des Bodens kontaminieren. fordert groß angelegte Dekontaminationsprotokolle.

Derzeitige Methoden zur Entfernung von Schadstoffen aus dem Boden sind jedoch zeitaufwändig, kostspielig und logistisch anspruchsvoll. Einige Dekontaminationstechniken, wie z. B. die Auslaugung von Tensiden, erzeugen auch sekundäre Abfallströme und verbrauchen erhebliche Mengen an Wasser und/oder Strom. Die Suche nach besseren Möglichkeiten zur Bodendekontamination sei für eine verbesserte Katastrophenvorsorge von entscheidender Bedeutung und daher eine nationale Sicherheitspriorität, sagte Deng.

„Diese Methode ist ultraschnell, was bei der Bewältigung von Notsituationen sehr nützlich sein kann“, fügte Deng hinzu.

„Bodensanierungstechnologien zielen normalerweise nur auf ein oder zwei Schwermetalle gleichzeitig ab, und oft sind sie nicht sehr erfolgreich oder funktionieren viel langsamer als elektrothermische Erwärmung“, sagte Mine Ucak-Astarlioglu, ein ERDC-Forschungschemiker. „Diese Methode ist sehr schnell, wasserfrei und bewältigt mehrere Schadstoffe im Boden. Flash-Joule-Erwärmung ist eine unglaublich vielversprechende Technik für die Rückgewinnung kritischer Metalle aus Abfällen und die Entfernung von Schwermetallen zur Sanierung.“

Chris Griggs, ein leitender physikalischer Forschungswissenschaftler des ERDC, sagte, dass verschmutzter Boden derzeit entweder ausgegraben und von besiedelten Standorten abtransportiert werden kann – eine Option, die er als „logistischen Albtraum“ bezeichnet – oder dass er vor Ort behandelt werden kann, um toxische Elemente zu verhindern von der Migration in die umgebende Luft, das Wasser oder die Nahrungsversorgung.

„Bestimmte Schadstoffe könnten in Ordnung sein – sie werden sich nicht bewegen. Andere könnten ins Grundwasser und in Trinkwasserquellen wandern. Einige könnten letztendlich Ernten verunreinigen, wobei giftige Schwermetalle über die Wurzeln der Pflanzen usw. aufgenommen werden könnten.“ .“, sagte Griggs. „Die Möglichkeit, den Boden zu regenerieren und wieder dorthin zu bringen, wo er war, ist ein großer Vorteil gegenüber bestehenden Technologien.“

Ein überraschender Effekt der schnellen Hochtemperaturbehandlung besteht darin, dass die Partikelgröße des Bodens und die gesamte Mineralzusammensetzung relativ unverändert bleiben. Tatsächlich verbessert der Prozess die Wasserinfiltrationsrate und erhöht den Vorrat an verfügbaren Nährstoffen, wodurch der Boden fruchtbarer wird.

„Es war für uns überraschend, dass wir dabei den Boden nicht schädigen“, sagte Tour, Rices TT- und WF-Chao-Professor für Chemie und Professor für Materialwissenschaften und Nanotechnik. „Pflanzen mögen es tatsächlich mehr, wegen der Mineralien, die bei den thermischen Zyklen freigesetzt werden.“

Yi Cheng, ein Rice-Postdoktorand und leitender Co-Autor, der bei der Charakterisierung der Bodeneigenschaften geholfen hat, sagte, dass der Prozess auf nassem Boden genauso gut funktioniere.

„Unser Verfahren ist wirtschaftlich und umweltfreundlich“, fügte Cheng hinzu.

Die Studie umfasst eine Lebenszyklusanalyse, die zeigt, dass der Prozess skalierbar ist und verspricht, energieeffizienter und kosteneffektiver zu sein als herkömmliche Bodensanierungspraktiken wie Bodenwäsche oder thermische Desorption.

„Wir haben zwei Implementierungsmodelle sowohl für den Off-Site- als auch für den On-Site-Einsatz entwickelt und freuen uns darauf, diesen Prozess in die nächste Phase zu führen – Feldtests“, sagte Deng.

Die Zusammenarbeit zwischen Rice und ERDC könnte den Technologieübergang von der Proof-of-Concept-Phase zur realen Praxis unterstützen.

„Wenn es um die Technoökonomie und die Skalierbarkeit des Prozesses geht, können wir etwas schwerer heben und ein bisschen größer werden, als es eine Universität könnte, aber die Entdeckungsseite der Forschung ist es, wo Universitäten herausragen“, sagte Griggs. „Es ist eine gute Partnerschaft.“

„Es ist eine technische Partnerschaft, eine Bildungspartnerschaft, und sie bietet auch Beschäftigungsmöglichkeiten“, sagte Ucak-Astarlioglu. „Es ist eine Win-Win-Situation für alle beteiligten Hochschulpartner.“