Verhalten von Nanomaterialien in Kläranlagen

ralf.kaegi@eawag.ch

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

Die ARA (Abwasserreinigungsanlage)

Modellanlage (eawag)

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

(

Landwirtschaft

Verbrennung(Lombi et al, Env. Poll, 2013)

Unvollständige Sulfidisierung der grösseren Partikel.

Faulung

Nanopartikel im Abwasser III

???

???