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Diffusive / Dispersive Reaktionsfronten in Grundwasser
2D-Visualisierung von Sauerstoff und pH mit VisiSens Imagingsystemen zur Untersuchung der Fe2+-Oxidation unter Durchflussbedingungen
Christina Haberer1, Muhammad Muniruzzaman1, Massimo Rolle1,2, und Peter Grathwohl1
1Fachbereich Geowissenschaften, Universit?t Tübingen, Deutschland
2Department of Civil and Environmental Engineering, Stanford University, USA
Quasi 2D-Durchfluss-Experimente wurden in heterogenen por?sen Medien durchgeführt, um die Oxidation von Eisen(II) im Grundwasser mit den VisiSens? Bildgebungssystemen für Sauerstoff und pH zu untersuchen. Die Sauerstoffzufuhr erfolgte durch Stoffübertragung von der Atmosph?re auf anoxisches Grundwasser und wurde zus?tzlich durch die Reaktion mit Eisen(II) beeinflusst. Wir beobachteten, dass Eisen(II)-Ionen vorzugsweise innerhalb eines Einschlusses von grobem Material oxidiert wurden. Dieser fungierte als Zone mit hoher Permeabilit?t, die eine Flie?fokussierung verursachte und das diffusive / dispersive Mischen der Reaktanten begünstigte. Der pH-Wert war in dieser Zone niedriger, da die Oxidation von Eisen(II) zur Bildung von Protonen führte. Aufgrund der Wechselwirkung zwischen Eisenmineralien und xenobiotischen sowie geogenen Schadstoffen sind die Ergebnisse unserer Untersuchung für eine Reihe von Wasserqualit?tsfragen relevant.
Diffusion und Dispersion sind Schlüsselmechanismen für den Massentransfer flüchtiger Verbindungen in oder aus Grundwassersystemen. Die ?bertragung von Sauerstoff in das Grundwasser spielt für viele biogeochemische Reaktionsprozesse eine wichtige Rolle. Besonders relevant sind die Reaktionen mit Eisen, das in B?den und Grundwasser h?ufig vorkommt. ?nderungen der Redox- und pH-Bedingungen beeinflussen die Eisenspeziation und Reaktionskinetik. Die Reaktion zwischen gel?stem Sauerstoff und Eisen (Fe2+) führt zur Bildung von Eisenoxihydroxiden und zur Ausbreitung von reaktiven Fronten unter der Oberfl?che. Dies spielt eine bedeutende Rolle bei der Bestimmung des Verbleibs vieler organischer und anorganischer Schadstoffe in der Umwelt, die mit Eisenmineralien interagieren, wie z. B. der Wanderung von Arsen im Grundwasser. Das Verst?ndnis der Dynamik von Eisenoxidationsfronten ist daher von entscheidender Bedeutung, um den Arsentransport quantitativ zu beschreiben und vorherzusagen. Wir führten quasi 2D-Durchfluss-Laborexperimente durch, um den Massentransfer von Sauerstoff in heterogenen por?sen Medien und dessen Einfluss auf die Eisenoxidation zu untersuchen. Die VisiSens? A1- und A2-Systeme wurden verwendet, um die r?umliche und zeitliche 2D-Verteilung von Sauerstoff und pH zu kartieren - Schlüsselparameter bei der Erfassung der Eisenoxidations-Dynamik.
Material & Methoden
Abbildung 1a zeigt den Versuchsaufbau. Die Durchflu?kammer hatte Innenabmessungen von 17 x 12,5 x 0,5 cm (L x H x B) und war mit Glasperlen als por?ses Medium gefüllt. Ein grober Materialeinschluss (Korndurchmesser: 1,0 - 1,5 mm) wurde in eine feinere Matrix (Korndurchmesser: 0,4 - 0,6 mm) eingebettet , was zu einer Konvergenz der Str?mung in der hochpermeablen Zone führte (Abb. 1b). Wir steckten Hohlnadeln (Au?endurchmesser: 1,2 mm), die mit Fluran-HCA-Pumpschl?uchen verbunden waren, in die Kammer. ?ber diese Verbindungen konnten mit einer hochpr?zisen Peristaltikpumpe (IPC 24, ISMATEC, Schweiz) w?ssrige L?sungen in die Kammer injiziert und daraus extrahiert werden. Wir stellten eine horizontale Str?mung (Sickergeschwindigkeit von 5 m d-1) her, indem wir die Durchflusskammer zuerst mit einer anoxischen w?ssrigen L?sung spülten, bis der Gleichgewichtszustand erreicht war. Anschlie?end wurde eine sauerstofffreie Fe2+ -L?sung (10 mg L-1 Fe2+, zugegeben als FeCl2 x 4 H2O; pH 7) injiziert. PIPES (1 mM, CAS: 5625-37-6) wurde beiden L?sungen zugegeben, um die maximale Abnahme des pH-Werts aufgrund der Reaktion zu begrenzen, und die Ionenst?rke wurde unter Verwendung von NaCl auf 100 mM eingestellt. Der Massentransfer von Sauerstoff aus der Atmosph?re in das anoxische Grundwasser fand über die unges?ttigte / ges?ttigte Grenzfl?che statt, wo er mit zweiwertigem Eisen reagierte, und Eisenhydroxidpr?zipitate bildete:
4 FeCl2 x 4 H2O + O2 -> 4 Fe(OH)3 + 6 H2O + 8 H+ + 8 Cl-
Um die 2D-Verteilungen von Sauerstoff und pH w?hrend des Experiments abzubilden, wurden planare Optrodenfolien (jeweils 8 cm x 4 cm; Sauerstoff SF-RPSu4, pH SF-HP5R) an die Innenseiten der Durchflusskammer auf die beiden gegenüberliegenden Glasscheiben geklebt (Abb. 1a). Das Messsignal wurde mit den entsprechenden VisiSens? -Kameras (Detektoreinheiten DU01 bzw. DU02) erfasst. An jeder VisiSens? -Kamera wurde ein Tubus angebracht, der eine Aufnahmefl?che von 1,9 cm x 2,4 cm zulie?. Indem kontinuierlich mehrere Bilder zu verschiedenen Zeitpunkten gemacht wurden, konnte die gesamte Fl?che der Sensorfolie erfasst werden. Wir führten die Durchfluss-Experimente bei konstanter Raumtemperatur (25 ° C) durch.
Ergebnisse
In den Experimenten wurde Sauerstoff von der Atmosph?re auf das anoxische Wasser übertragen. Das Vorhandensein eines hochpermeablen Einschlusses hatte eine signifikante Wirkung auf das Str?mungsfeld und auf die Sauerstoffverteilung im ?bergangsbereich zwischen der unges?ttigten und der ges?ttigten Zone. Aufgrund des konvergenten Str?mungsfeldes wurde Wasser mit hohen Sauerstoffkonzentrationen von oben und sehr geringen Konzentrationen von unten in dem groben Materialeinschluss fokussiert. Abb. 2 (oben) zeigt die Sauerstoffverteilung 9 Stunden nach Beginn der Injektion der Fe2+-L?sung in die Durchflusskammer. Das Str?mungsfeld und die Sauerstoffverteilung bestimmten auch den Bereich, in dem Eisen(II) oxidiert und als Eisen(III)-Mineralien ausgef?llt wurde. Das Vorhandensein von Eisenhydroxidmineralien war aufgrund ihrer dunkelorangen F?rbung deutlich zu sehen (Abb. 1b). Zus?tzlich best?tigte die r?umliche Verteilung des pH-Werts das Vorhandensein der reaktiven Front in der Zone mit hoher Permeabilit?t. Tats?chlich führte die anoxische Fe2+-L?sung, die effektiv mit dem über den Kapillarsaum und die Oxidationsreaktion zugeführten Sauerstoff gemischt wurde, nicht nur zur Ausf?llung von Eisenhydroxid, sondern auch zu einer leichten Abnahme des pH-Wertes innerhalb des groben Einschlusses (Abb. 2, unten). Dies wurde wahrscheinlich durch die neu gebildeten Eisenhydroxidmineralien verursacht, die die abiotische Oxidation von Fe2+ katalysieren k?nnen, was zu einer zus?tzlichen Freisetzung von Wasserstoffionen führte.
Zusammenfassung
In unseren Experimenten wurden die VisiSens? Imagingsysteme eingesetzt, um die 2D-Verteilung von Sauerstoff und pH auf gegenüberliegenden Seiten einer quasi zweidimensionalen Durchflusskammer abzubilden. Wir konnten die r?umliche und zeitliche Dynamik dieser Wasserqualit?tsparameter in heterogenen por?sen Medien verfolgen. Mit den VisiSens? A1 und A2 Imaging-Systemen waren wir in der Lage den Einfluss der Heterogenit?t por?ser Medien auf den Sauerstofftransfer zu visualisieren. Darüber hinaus war es m?glich, die Hochpermeabilit?tszone als die Region zu identifizieren, in der die Oxidation von Eisen(II) vorzugsweise stattfand. Die in dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse sind relevant, um das Verst?ndnis der Ausbreitung reaktiver Fronten im Grundwasser unter Beteiligung von Eisenspezies zu verbessern, die stark mit den Freisetzungs- und Transportmechanismen von Schadstoffen gekoppelt sind. VisiSens? k?nnte in vielen anderen Untersuchungen zu diesem Thema angewendet werden.