Reaktive vægge og filtre med jernspåner - en sammenfatning
2 Processen
Processen baserer sig på en anaerob jernkorrosion, som vil forløbe når vand kommer i kontakt med metallisk jern. Indeholder vandet opløst ilt vil dette først blive reduceret ved dannelse af rust. Processen vil således forløbe selv hvis grundvandet indeholder ilt, idet dette vil blive fjernet ved rustdannelse i den opstrøms kant af den reaktive væg (husk at grundvand altid indeholder under cirka 8 mgO2/l, hvilket er meget begrænsede mængder i forhold til det store indhold af metallisk jern i væggen).
Når evt. tilstedeværende ilt er fjernet vil den anaerobe jernkorrosion forløbe /8/:
Af reaktionen fremgår det at:
- Der dannes 1 mol brint for hver mol jern som korroderes. Noget af brinten vil forblive opløst i vandet, men opløseligheden af brint i vand er generelt lav (3,0 mg/l ved 25°C)/8/, så processen kan give anledning til dannelse af brintgas, som vil boble ud af vandet. Typiske brintdannelseshastigheder er målt for et af de tilgængelige kommercielle jernmaterialer (Master Builder) til 0,6 mmol/(kgdøgn) svarende til cirka 3,5 gramH2/(m3 jernvæg døgn)/8/.
- Der dannes hydroxylioner (OH-), som vil give anledning til en pH-stigning, hvis størrelse især vil afhænge i grundvandets bufferkapacitet. Den resulterende pH-stigning kan give anledning til udfældning af calciumcarbonat, jerncarbonat mm., hvilket kan ophobes på jernoverfladerne, og – i teorien – reducerer jernets evne til at reducere stoffer (se senere). Grundvandets tørstofindhold, heraf især vandet hårdhed, er afgørende for hvor store mængder udfældingsmaterialer, som ophobes i væggen. Stigningen i pH kan også nedsætte reduktionshastigheden af Cr(VI) til Cr(III) – se i øvrigt senere.
Den anaerobe korrosion giver et kraftigt fald i redoxpotentiale, hvilket betyder at bl.a. klorerede alifater kan oxidere det metaliske jern ved følgende proces (i det X'et i RX symboliserer et halogenatom, dvs chlor i f.eks. TCE) /9/:
Som det fremgår af reaktionen forbruger dekloreringsprocessen en proton (H+), som det får fra vand. I de fleste tilfælde sker der sideløbende med den ovennævnte dekloreringsproces, som jo giver anledning til dannelse af deklorerede produkter (feks DCE (diklorethylen) ved deklorering af TCE), en såkaldt β-elimination. For TCE (C2HCl3) betyder dette at stoffet nedbrydes til ethan (C2H6) over mellemprodukterne kloracethylen (C2H1) over acetylen (C2H2) og ethen (C2H4)/10/- se figur 1. Denne del af processen danner således ikke de kendte deklorerede nedbrydningsprodukter, og der vil samlet kun dannes mindre mængder DCE ved nedbrydningen af TCE. Lignende forhold er påvist for andre klorerede alifater.
Figur 1. Skitse af de to mulige nedbrydningsveje, hydrogenolyse og β-elimination for stoffet PCE.
Hvor hurtigt dekloreringen forløber afhænger af stoffet, jernmaterialet, samt grundvandets sammensætning. Man har ikke en fuldstændig forståelse af de influerende faktorer, hvilket betyder at man i mange tilfælde udfører laboratoriekolonnetest med det jernmateriale der påtænkes anvendt, samt en repræsentativ forurenet grundvandsprøve fra lokaliteten for at bestemme reaktionshastigheden for alle de tilstedeværende klorerede stoffer, herunder eventuelle deklorerede nedbrydningsprodukter, der måtte dannes i væggen. Firmaet Envirometal Technologies Incorporated (ETI) i Canada har udført de fleste af disse kolonnetest, og besidder et stort erfaringsmateriale vedr. halveringstider. Dette materiale er dog ikke offentligt tilgængeligt.
Typiske halveringstider (idet processen kan betragtes som en 1. ordens proces) for de tilgængelige kommercielle jernmaterialer på markedet er 0,5 – 3 timer for de mest almindelige stoffer (PCE, TCE, TCM, mm.) – generelt med de største værdier for stoffer med færre kloratomer (f.eks. DCE, VC). For enkelte af nedbrydningsprodukterne ses nogle gange halveringstider helt oppe over 10 timer. Det er således en fordel at der dannes så lille en andel af deklorerede nedbrydningsprodukter ved nedbrydning med metallisk jern, da det ellers nemt bliver nedbrydningsprodukternes videre fjernelse i jernvæggen der bliver dimensionerende. Følgende stoffer kan (af ukendte årsager) ikke nedbrydes med metallisk jern:
- Dichlormethan
- 1,1-Dichlorethan
- 1,2-Dichlorethan
- Chlormethan
Klorerede aromatiske stoffer nedbrydes i de fleste tilfælde heller ikke /11/. En meget afgørende parameter for halveringstiden er jernmaterialets overfladeareal, idet jernmaterialer med et stort specifikt overfladeareal giver (alt andet lige) en lavere halveringstid. Af hensyn til væggens hydrauliske ledningsevne er der dog grænser for hvor fint et jernpulver man kan benytte i praksis.
Den anaerobe korrosion kan også bruges som udgangspunkt for reduktion af stoffer. Ved mange forurenede grunde haves problemer med hexavalent krom (Cr(VI)), som er meget mobil i grundvand. Ved kontakt med jernspåner vil Cr(VI) reduceres til Cr(III), som er meget mindre toksisk, og som har en meget lav opløselighed, hvilket betyder at kromen udfælder i jernvæggen. Processen er yderligere beskrevet i Locht og Kjeldsen /5/.
Version 1.0 April 2004, © Miljøstyrelsen.