Reaktives Eisen für die Grundwassersanierung: unterirdisch im Aquifer erzeugt

An alten Industriestandorten versteckt sich verunreinigtes Grundwasser oft dort, wo es am schwierigsten zu erreichen ist: in dichten Linsen aus Ton und Schluff, die so stark verdichtet sind, dass praktisch nichts hindurchströmt. Genau in diesen Zonen hält sich die Belastung am längsten – und genau dort scheitert die Grundwassersanierung meist, weil Schadstoffe noch Jahrzehnte nach Abschluss der Massnahmen langsam wieder austreten.

Eisenpartikel können viele dieser Gifte beim Kontakt unschädlich machen. Der Haken ist jedoch, sie überhaupt in dichten Ton zu bekommen. Ein Team in Italien wählte in einem komplexen Aquifer einen Ansatz, der dort bislang noch nicht erprobt worden war: Statt das Einbringen zu erzwingen, stellten sie das Eisen direkt im Untergrund her.

Das Zustellproblem

Seit mehr als 20 Jahren gilt die Nanoremediation als Standardlösung für belastete Aquifere – also unterirdische Schichten, in denen Grundwasser gespeichert ist. Dabei wird Eisen injiziert, das Metall spaltet die im Untergrund gebundenen Schadstoffe, und das Verfahren hat sich vielerorts als Routine etabliert.

Die Schwachstelle ist die Verteilung. Selbst in Form von Nanopartikeln bewegt sich festes Eisen in dicht gelagerten Böden kaum vorwärts. Gleichzeitig geben in kompaktem Ton gespeicherte Schadstoffe über lange Zeit wieder ab – das Grundwasser kann dadurch erneut belastet werden, obwohl lockerer Sand in der Umgebung längst „sauber“ misst.

Dr. Andrea Gallo, Umweltingenieur und Leiter der Versuche an der Polytechnischen Universität Turin (PoliTo), ging mit seinem Team einen anderen Weg. Anstatt Eisen im Labor zu erzeugen und dann in den Untergrund zu drücken, verlegten sie die Herstellung dorthin, wo es gebraucht wird: in den Aquifer.

Eisen unterirdisch wachsen lassen

Das Konzept ersetzt eine einzelne Injektion durch zwei aufeinanderfolgende. Zunächst wird eine ungefährliche Lösung mit gelöstem Eisen in den Boden eingebracht; später folgt ein Reduktionsmittel, das das gelöste Eisen in festes Metall umwandelt. Dort, wo sich beide Fronten im Untergrund treffen, bilden sich die Partikel – genau am Zielort.

Die Position, an der sich die Lösungen mischen, wird durch gewöhnliches Leitungswasser gesteuert. Zwischen den beiden Lösungen injiziert das Team einen „Puls“ Wasser; dessen Dauer legt fest, wie weit die erste Lösung wandert, bevor die zweite nachkommt und die Reaktion einsetzt. Wie lange dieser Puls laufen muss, ermitteln sie über eine kurze Gleichung.

Auch bei der Wahl des Reduktionsmittels war Sorgfalt nötig. Übliche Rezepturen nutzen Stoffe, deren Nebenprodukte für den Einsatz im Untergrund zu toxisch sind; zudem verursacht diese Herstellungsweise relevante Umweltbelastungen. Die Turiner Variante setzt stattdessen auf mildere, schwefelbasierte Bestandteile.

Ein Experiment im Untergrundformat

Für einen ersten Test füllte das Team Quarzsand in einen etwa 1 Meter (3 Fuß) langen Kasten und leitete Wasser hindurch, um einen fliessenden Aquifer nachzubilden. Über einen Brunnen in der Mitte wurden die Lösungen in wiederholten Zyklen eingespeist.

Im Anschluss trugen die Forschenden den Sand schichtweise ab – in Scheiben von rund 2,5 Zentimetern (1 Inch) Dicke – und fotografierten jede Lage. Auf den Bildern zeigte sich eine dunkle, ovale Zone, die sich vom Brunnen aus ausbreitete und etwa 15 Zentimeter (6 Inches) weit reichte. Damit traf sie genau den Bereich, den die Gleichung als Ziel vorgegeben hatte.

Dabei fielen zwei Kennzahlen besonders auf. Erstens entsprach das vom Eisen eingenommene Volumen nahezu exakt der Vorhersage des Modells. Zweitens wurde ungefähr drei Viertel des eingebrachten Eisens tatsächlich zu festen Partikeln. Am Auslass des Kastens wurde nichts ausgespült – ein Hinweis darauf, dass die Partikel am Sand haften und nicht einfach mit der Strömung davongetragen werden.

Nachweis des Eisens

Ein dunkler Fleck allein belegt allerdings wenig. Entscheidend war, ob es sich um echtes metallisches Eisen handelt – also die reaktive Form, die Schadstoffe abbaut – oder lediglich um Rost, der praktisch wirkungslos bleibt. Dieser Unterschied ist ausschlaggebend.

Oberflächenanalysen zeigten ein klares Signal von metallischem Eisen unter einer dünnen Rostschicht. Diese Hülle war nur so dick, wie sie durch kurzen Luftkontakt beim Ausgraben plausibel ist – was dafür spricht, dass der reaktive Kern erhalten blieb.

Unter dem Mikroskop wirkten die Partikel wie Ansammlungen winziger Plättchen, die an den Sandkörnern klebten und auch nach dem Abspülen noch hafteten. Ihre Grösse lag bei nur einigen Dutzend Nanometern – also in dem Bereich, der auch bei kommerziellem Eisen für solche Anwendungen üblich ist.

Chlorierte Lösungsmittel abbauen

Metallisches Eisen ist nur dann relevant, wenn es die anvisierten Schadstoffe auch tatsächlich zerstört. Deshalb prüfte das Team die Wirksamkeit gegen zwei chlorierte Lösungsmittel: Trichlorethen und Perchlorethen. Beide werden in der Textilreinigung und beim Entfetten eingesetzt und gelten im Grundwasser als besonders hartnäckig.

In verschlossenen Vials über 21 Tage beseitigten frisch erzeugte Partikel mehr als 96% beider Substanzen. Partikel, die aus dem Sandkasten zurückgewonnen wurden, erzielten deutlich niedrigere Werte von 30 bis 40 Prozent. Diese Differenz dürfte vor allem daran gelegen haben, dass die entnommenen Proben nur wenig Eisen enthielten.

Umgerechnet auf ein Gramm Eisen lagen die Reaktionsgeschwindigkeiten im typischen Bereich für solche Partikel. Das passt zu einer breiter angelegten Untersuchung, die beschreibt, wie reaktives Eisen eingeschlossene Lösungsmittel Poren für Pore angreift – und deutet darauf hin, dass die „hausgemachten“ Partikel ähnlich funktionieren wie die etablierte Variante.

Die harten Schichten erreichen

Die anspruchsvollste Prüfung erfolgte in einem dünnen, transparenten Tank, der von dichten Tonlinsen durchzogen war – genau jenen Bereichen, in denen konventionelle Partikel normalerweise stecken bleiben. Durch das Glas konnten die Forschenden beobachten, wie sich Eisen bildete, sobald die beiden Lösungen aufeinandertrafen.

Reaktives Eisen in einem so realitätsnahen, unübersichtlichen Aquifer-Setting direkt zu erzeugen, war in dieser Form bislang nicht gelungen. Die dunkle Zone drang in die dichten Taschen ein, was darauf hindeutet, dass reaktives Eisen gerade in den Schichten entstand, die über Jahre hinweg zur erneuten Belastung beitragen – genau den Schichten, die in der Praxis oft als kaum sanierbar gelten.

Danach folgte der direkte Vergleich. In einen baugleichen Tank injizierten sie eine kommerzielle Suspension; das vor Ort erzeugte Eisen bedeckte mehr als die vierfache Fläche und erreichte Bereiche, die die injizierten Partikel nicht erschliessen konnten.

Neue Grundwassersanierung

Die Ergebnisse zeigen: Reaktives Eisen lässt sich aus ungefährlichen Ausgangsstoffen innerhalb der schwer zugänglichen Zonen eines belasteten Aquifers bilden – ein neuer Ansatz für die Grundwassersanierung. Im Vergleich zu den seit Jahrzehnten injizierten Partikeln entsteht eine grössere und gleichmässigere Behandlungszone.

Damit öffnet sich eine Option, die bislang häufig versperrt war. Standorte, die als zu schwierig galten – weil Lösungsmittel in Ton festhängen und das Wasser über Jahre wieder kontaminieren – könnten wieder zu realistischen Zielen werden: Sanierung an der Quelle statt dem Nachlaufen der Fahne stromabwärts.

Trotzdem liegt zwischen Labortank und echter Sanierung noch ein weiter Weg. Als Nächstes will das Team prüfen, wie stark das Eisen direkt im Boden „beisst“, und klären, wie die injizierten Chemikalien die Mikroorganismen im Untergrund beeinflussen – einschliesslich der Stoffe, die nicht vollständig reagieren.