CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Chemical Stabilization of Arsenic in Contaminated Soil under Low Redox Conditions
Luleå University of Technology, Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering.
2019 (English)Independent thesis Advanced level (degree of Master (Two Years)), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesisAlternative title
Kemisk stabilisering av arsenik i förorenad jord med låga redox-förhållanden (Swedish)
Abstract [en]

Remediation techniques for arsenic contaminated soil have previously focused mostly on the surface soil layers where aerobic conditions are prevalent. In this master thesis, chemical stabilization by adding zero-valent iron (Fe(0)) and calcium oxide (CaO) to an arsenic-contaminated soil under low redox conditions have been studied through up-flow percolation tests. Over a time of 2 months, pH, conductivity, redox potential and concentrations of major and minor elements including As, Zn, Cu, Cd, Fe and Ca under both fluctuating and continuous flow were measured.

            Results indicate that CaO is a very promising amendment to use under conditions of low redox, immobilizing 98% of the As and 50-65% of Zn, Cd and Cr over the 8 weeks of testing, compared to the untreated soil. Copper on the other hand was mobilized by the treatment; but as the concentrations of Cu in the soil was low the increased leaching would in this case not be problematic. The leached water also had a very alkaline pH at 13, while conductivity was relatively high at 6.5 mS cm-1 and the redox potential remained negative throughout the two months. Geochemical modelling indicate that the immobilization of As is most likely controlled by precipitation of Ca-As-complexes as well as ettringite and portlandite. The precipitation of these minerals are controlled by pH, while redox conditions were shown to not be a controlling factor. The alkalinity of the CaO-amended soil was very high and it is expected that the alkaline conditions controlling the immobilization of As will prevail for hundreds of years.

            Fe(0) that previously has shown good results in stabilizing As under oxidized conditions did not effectively immobilize As under the low redox conditions in this study. Rather, the leaching of As and metals like Cr, Cd, Cu and Zn showed very similar results as the untreated soil. The results signifies the importance of activating the Fe(0) beforehand to allow amorphous Fe-oxides to form to which the metal(loids) can sorb to.

            In the study it was also observed that a fluctuating groundwater table could have an effect on both untreated and treated soil as wet and dry cycles influenced the leached concentrations of As and many other elements. More As was leached during the dry days in the untreated soil and the soil treated with Fe(0), while the opposite was true for the CaO-treated soil.

            The results suggests that using CaO as an amendment to treat As-contaminated soil is a method that potentially can be used for soils that have low redox conditions, for example soils below the groundwater table and landfills, although caution should be used in situations with more complex contamination, e.g. where both As and Cu are present.

Abstract [sv]

Efterbehandlingsmetoder för arsenikförorenad jord har tidigare fokuserat på ytliga jordlager där syre finns tillgängligt och förhållandena är oxiska. I denna masteruppsats har kemisk stabilisering av arsenik under anoxiska förhållanden i en förorenad jord studerats. I perkolationsförsök över två månader har effekten av två olika kemiska tillsatser, nollvärt järn (Fe(0)) och kalciumoxid (CaO), på utlakningen av halvmetaller och metaller som As, Zn, Cd, Cu och Cr samt påverkan på pH, konduktivitet och redoxpotential undersökts under både fluktuerande och konstanta flöden.

            Resultaten visar att CaO är en lovande tillsats att använda för kemisk stabilisering av As i jordar som har anoxiska förhållanden. 98% av As immobiliserades jämfört med den obehandlade jorden. Behandlingen med CaO resulterade även i ett stabilt basiskt pH på 13. Konduktiviteten hölls också på en stabil nivå på 6,5 mS cm-1 medans redoxpotentialen varierade en del men var negativ under hela experimentet. Den utlakade koncentrationen av As låg mellan 0.059 och 0.021 mg L-1. CaO immobiliserade även Zn, Cd och Cr med en effektivitet som låg mellan 50-65%, jämfört med den obehandlade jorden. Koppar däremot mobiliserades och lakades ut i större utsträckning; men då Cu-koncentrationen i jorden var låg från början utgör detta inget större problem. Geokemisk modellering indikerade att immobiliseringen av As kontrolleras av pH, men förblev opåverkad av redoxpotentialen. Då alkaliniteten i den CaO-behandlade jorden var hög förväntas de basiska förhållandena som kontrollerar den kemiska stabiliseringen av As att kvarstå under flera hundra år.

            Tidigare studier har visat att Fe(0) till stor del stabiliserar As under oxiska förhållanden, men under de anoxiska förhållandena i denna studie hade den Fe(0)-behandlade jorden liknande resultat som den obehandlade jorden, både vad gäller utlakning av metaller, pH, konduktivitet och redoxpotential. Detta markerar vikten av att aktivera Fe(0) genom att låta den reagera med syre och vatten i jorden för att bilda amorfa Fe-oxider som (halv)metallerna kan adsorbera till. I detta fall tillsattes inget vatten i förväg, vilket ledde till att det mesta av järnet lakades ut direkt, utan att bilda fler ytor som speciellt As kan binda till. För båda dessa jordar var utlakningen av As två storleksordnar större jämfört med den CaO-behandlade jorden.

            Studien visade också att en fluktuerande grundvattennivå kan ha en effekt på utlakningen av grundämnen både behandlad och obehandlad jord, då cykler av anoxiska och oxiska förhållanden påverkade koncentrationerna i utlakningsvattnet. Mer As lakades ut under de dagar som hade mer anoxiska förhållanden jämfört med oxiska dagar för den Fe(0)-behandlade jorden och den obehandlade jorden, medans det motsatta var sant för den CaO-behandlade jorden.

            Resultaten indikerar att CaO har en potential till att användas för att kemiskt stabilisera As i jordar som har låga redox-förhållanden, exempelvis i jordar som är under grundvattenytan och i deponier, men att försiktighet ska användas i jordar som har en mer komplex föroreningssituation, speciellt i jordar som är förorenat av både As och Cu.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 65
National Category
Earth and Related Environmental Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:ltu:diva-72340OAI: oai:DiVA.org:ltu-72340DiVA, id: diva2:1272810
External cooperation
Golder Associates AB
Subject / course
Student thesis, at least 30 credits
Educational program
Geosciences, master's level (120 credits)
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-01-09 Created: 2018-12-19 Last updated: 2019-01-09Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(1899 kB)19 downloads
File information
File name FULLTEXT02.pdfFile size 1899 kBChecksum SHA-512
03d1dd86c87aadae9aa1fb5d385c550c646a4ea4992f3d64043ad7e67d5692b81e853e06d8165c20fddd4e8c6badf3484ef4037da997676ebb507ac8b4e18454
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering
Earth and Related Environmental Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 19 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 68 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf