Verhalten von Nanomaterialien in Kläranlagen
Mit Unterstützung von: A. Voegelin, B. Sinnet, B. Thalmann, J. Krismer, M. Elumelu, H. Hagendorfer, C. Ort, H. Siegrist, E. Morgenroth, E. Müller, St. Zuleeg, J. Eugster, M. Boller, T. Schellenberg, C.Hüglin, A. Fischer…
FachDialogeNanotechnologien, 19. – 20. Mai 2014, Berlin, Deutschland
Abwasser (kommunal
und industriell)
Kanalisation
ARA
Einleitung in
den Vorfluter
Freisetzung von NP aus
Konsumentenprodukten
Umwandlung / Ablagerung
in der Kanalisation
Umwandlung / Flockung
im Klärschlamm
Urbane Abwassersysteme
Faulung Umwandlung
Wechselwirkung mit Partikeln und gelösten Substanzen im Wasser
VerbrennungLandwirtschaft
Geranio, EST, 2009Benn, JEQ, 2010
Kaegi, Water Res, 2013
Choi, Water Res, 2008Kaegi, EST, 2011Wang, J. Hazard. Mat.,2012
Lombi et al, Env. Poll,2013, Ma et al, EST, 2014. Doolette et al, Chem. Cent. J. 2013
Coleman, PLOS,2013
Impellitteri,Water Res,2013
Silber-NP in der
Kanalisation
Dose P1 P2 P3
15’ 1h 1h
0.8 g Ag-NP in 15 l dest. H2O, tdosing = 30 s, Vww = 30 l/s,O2(Dose) = 6 mg/l, O2(P2) < 1 mg/l
2.4 km500 m 5 km
0 2000 4000 6000 8000 100000
100
200
300
400
time [s]
Ag c
oncentr
ation (
µg/l)
101 %
109 %
107 %
500m
2400m
5000m
Silber in der Kanalisation:
Massenbilanz
Zugegebene Menge: 0.8g
Kaegi, Water Res, 2013
Silb
er
Ko
nzen
trati
on
(µ
g/l)
Zeit (s)
0 2000 4000 6000 8000 100000
100
200
300
400
time [s]
Ag c
oncentr
ation (
µg/l)
101 %
109 %
107 %
500m
2400m
5000m
Silber in der Kanalisation:
Massenbilanz
Zugegebene Menge: 0.8g
Kaegi, Water Res, 2013
Silb
er
Ko
nzen
trati
on
(µ
g/l)
Zeit (s)
2 2.5 3 3.5 40
50
100
150
200
S
Ag
counts
energy [keV]
Umwandlung im Kanal(Laborversuch)
STEM (Phasenkontrast)
EDX
Elementverteilung
Distanz [nm]]
Dis
tan
z [n
m]]
Energie [keV]
Inte
nsi
tät
Effizienter Transport
Teilweise Sulfidisierung
Ag-NP erreichen die ARA, unterschiedlich stark sulfidisiert.(teilweise sulfidisierte Ag-NP sind viel weniger toxisch als frische Ag-NP (Reinsch et al., EST, 2012)
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000-50
0
50
100
150
200
250
300
350
400
time [s]
Ag
co
nce
ntr
atio
n (
pp
b)
101 %
109 %
107 %
500m
2500m
5000m101%
109%
107%
Silber-NP im Kanal
Abwasser (kommunal
und industriell)
Kanalisation
ARA
Einleitung in
den Vorfluter
Freisetzung von NP aus
Konsumentenprodukten
Umwandlung / Ablagerung
in der Kanalisation
Umwandlung / Flockung
im Klärschlamm
Urbane Abwassersysteme
Faulung Umwandlung
Wechselwirkung mit Partikeln und gelösten Substanzen im Wasser
VerbrennungLandwirtschaft
Geranio, EST, 2009Benn, JEQ, 2010
Kaegi, Water Res, 2013
Choi, Water Res, 2008Kaegi, EST, 2011Wang, J. Hazard. Mat.,2012
Lombi et al, Env. Poll,2013, Ma et al, EST, 2014. Doolette et al, Chem. Cent. J. 2013
Coleman, PLOS,2013
Impellitteri,Water Res,2013
Silber in der ARA
1. Init. Dosierung(1 Tag, 2400µg/l)
2. Dosierung I10 Tage, 130µg/l, 1m3/d
3. Dosierung II10 Tage, 130µg/l, 2.2m3/d
Erholung24 Tage, kein Ag zugegeben
Schlamm
AblaufD
osie
run
g I
Do
sie
run
g II
ErholungInit.
Messung
Modell
Kaegi et al, 2011, EST, 49/9, pp. 3902 - 3908
Silber - Massenbilanz
Ag meas.
Ag meas.
Ag total Wiederfindung Schlamm Abfluss ARA
Schlamm Abfluss ARAAg (Messung) total
Elektronenmikroskopie (TEM)
A
B
CD
Si S Ag
Energie (keV)
Inte
nsit
ät
1 40
1
A: Init, Schlamm
B: Init, Ablauf
C: Kont', Schlamm
D: Kont', Ablauf
Kaegi et al, 2011, EST, 49/9, pp. 3902 - 3908
Speziierung(Röntgen Absorptionsspektroskopie, XAS)
25450 25500 25550 25600 25650
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
incident photon energy [eV]
no
rma
lize
d a
bso
rptio
n
Ag(0) Ag2S
Pilot ARA
Schlamm(1 Tag ,S1)
2 99
Schlamm(18 Tage, S18)
3 98
Ablauf(1 Tag, A1)
0 100
Ablauf(A 18–37 Tage)
15 86
XANES Phasenanteile
Ag2S
Ag(0))
A1
A(18-37)
S18
S1
No
rmal
isie
rte
Ab
sorp
tio
n
Energie [eV]
Nanopartikel im Abwasser I
Kaegi et al, 2011, EST, 49/9, pp. 3902 - 3908
NP zur ARA
ARA‘NP’ aus
der ARA
NP zur ARA
Faul-
schlamm
Nanopartikel im Abwasser II
25450 25500 25550 25600 25650
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Ag-NP
Ag2S
Ag-CuS
Ag(0)
incident photon energy [eV]
no
rmaliz
ed
ab
so
rptio
n
25450 25500 25550 25600 25650
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Ag-NP
Ag2S
Ag-CuS
Ag(0)
incident photon energy [eV]
norm
aliz
ed
absorp
tion
Eintrag von NPARA
Transport im Kanal