arsenic removalat the household level 1

8/7/2019 Arsenic Removalat the Household Level 1

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Di s s . ETH No . 1 5 7 8 3

Ar s e n i c R e mo v a l a t t h e Ho u s e h o l d L e v e l

A d i s s e r t a t i o n s u b mi t t e d t o t h eS WI S S FEDERAL I NS TI TUT E OF TECHNOLOGY Z RI CH

f o r t h e d e g r e e o fDOCTOR OF NATURAL S C I E N C E S

p r e s e n t e d b yO L I V I E R X . L E U P I N

Di p l . Er d w. B E N E F R I Un i BEb o r n Ma r c h 1 , 1 9 7 5

d t i z e n o f Mu t t e n z ( BL)

a c c e p t e d o n t h e r e c o mma n d a t i o no fP r o f . Dr . Be r n h a r d We h r l i , e x a mi n e r

P r o f . Dr . R b e n Kr e t z s c h ma r , c o - e x a mi n e rDr . S t e p h a n J . Hu g , c o - e x a mi n e r

Z r i c h 2 0 0 4


2/5

Z u s a mme n f a s s u n g

Ko n t a mi n a t i o n e n v o n Aq u i f e r e n mi t Ar s e n s i n d i n v e r s c h i e d e n e nRe g i o n e nd e r We l t b e s c h r i e b e n wo r d e n . An t h r o p o g e n eQu e l l e n ( z . B . Ar s e n i n Mi n e n a b w s s e r ) , v u l k a n i s c h e Ak t i v i t t ( z . B . Ar s e n i n g e o t h e r mi s c h e Qu e l l e n ) u n dd i e Ve r wi t t e r u n g v o n a r s e n h a l t i g e n Mi n e r a l e n ( z . B . Ar s e n o p y r i t ) t r a g e n z u rAn r e i c h e r u n g v o n Ar s e n i m Bo d e n b e i . Gr s s e r e Ko n t a mi n a t i o n e n v o n Aq u i f e r e n we r d e n i n s t a r k c h e mi s c h r e d u z i e r e n d e n , s o wi e i n a r i d e n , mi t h o h e mp H g e k e n n z e i c h n e t e n B d e n g e f u n d e n . Di e s t n d i g e E i n n a h me v o n Ar s e nf h r t z u z a h l r e i c h e n s c h we r e n Kr a n k h e i t e n , d i e b i s z u m T o d f h r e n k n n e n .Du r c h d a s r e g e l m s s i g e T r i n k e n v o n a r s e n v e r s e u c h t e mWa s s e r i s t i n Ba n g l a d e s c h d i e Ge s u n d h e i t v o n b e r 5 0 Mi l l i o n e n Me n s c h e n g e f h r d e t .

Da s Zi e l d i e s e r Ar b e i t wa r d i e E n t wi c k l u n g e i n e r Me t h o d e , d i e e s e r l a u b t ,mi t g e r i n g e m t e c h n i s c h e mAu f wa n d Ar s e n a u s d e m Wa s s e r z u e n t f e r n e n .

Da s

Ve r h a l t e nv o n

Ar s e n i n d e rUmwe l t

i s t s t a r kv o n

d e s s e n R e d o x z u -s t a n d a b h n g i g . As ( I I I ) i s t s e h r mo b i l , wo h i n g e g e n As ( V) a u f g r u n d s e i n e rn e g a t i v e L a d u n g s t a r k a n Ob e r f l c h e n v o n Mi n e r a l e n a d s o r b i e r t . We n n i mWa s s e r z u s t z l i c h S i l i k a t u n d P h o s p h a t v o r k o mmt , wi r d h i n s i c h t l i c h d e r E n t f e r n u n g v o n Ar s e n , d i e Ox i d a t i o n v o n As ( I I I ) z u As ( V) u ms o wi c h t i g e r , d e n nb i s z u e i n e mp H v o n e t wa 8 k o n k u r r i e r e nS i l i k a t u n d P h o s p h a t d i e Ad s o r p t i o n v o n As ( I I I ) s t a r k .

I m e r s t e n Te i l wu r d e d i e Ox i d a t i o n v o n As ( I I I ) n a c h d e r Zu g a b e v o nF e ( I I ) i n e i n e r As ( I I I ) h a l t i g e n L s u n g u n t e r s u c h t . E s z e i g t e s i c h , d a s s d i eOx i d a t i o n v o n F e ( I I ) z u e i n e r p a r t i e l l e n Ox i d a t i o n v o n As ( I I I ) z u As ( V)f h r t . Na c h d e m d i e Ox i d a t i o n v o n F e ( I I ) a b g e l a u f e n i s t , wu r d e k e i n e we i t e r eOx i d a t i o n v o n Ar s e n b e o b a c h t e t . Di e Ox i d a t i o n s r a t e v o n F e ( I I ) i s t s t a r k p Ha b h n g i g u n d n i mmt z u b e i s t e i g e n d e mp H d a d u r c h wi r d a u c h d i e As ( I I I )Ox i d a t i o n b e s c h l e u n i g t . As ( I I I ) wi r d d u r c h r e a k t i v e i n t e r me d i r e Ox i d a t i -o n s p r o d u k t e wi e * OH o d e r F e ( I V ) , d i e w h r e n d d e r Ox i d a t i o n v o n F e ( I I ) i nb e l f t e t e m Wa s s e r e n t s t e h e n , o x i d i e r t . Da F e ( I I ) s e l b s t d u r c h d i e s e i n t e r me d i r e n Re a k t i o n s p r o d u k t e o x i d i e r t wi r d , i s t d i e Ox i d a t i o n v o n As ( I I I ) d u r c hd i e e i n ma l i g e Zu g a b e v o n F e ( I I ) l i mi t i e r t .

I m z we i t e n Te i l wi r d d i e Ar s e n e n t f e r n u n gmi t t e l s e i n e r 2 4 c m l a n g e n Gl a s s u l ed u r c h we l c h e b e l f t e t e s Gr u n d wa s s e r f l i e s s t , u n d d i e mi t 1 . 5 g E i s e n s p n e n

v u


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u n d 4g S a n d g e f l l t i s t ,

u n t e r s u c h t . Du r c h d i e Ko r r o s i o n d e s Ei s e n s wi r d

d a b e i p r o Li t e r Gr u n d wa s s e r b i s z u 8 mg F e ( I I ) g e b i l d e t . h n l i c h d e n E x p e r i me n t e n i m e r s t e n Te i l , f h r t d i e Ox i d a t i o n v o n F e ( I I ) d u r c h d e n g e l s t e nS a u e r s t o f fz u e i n e r p a r t i e l l e n Ox i d a t i o n v o n As ( I I I ) . Da s e n t s t a n d e n eAs ( V)a d s o r b i e r t mi t g r o s s e r Af f i n i t t a n d i e f r i s c h g e b i l d e t e n E i s e n h y d r o x i d e . Umd i e v o l l s t n d i g e Ox i d a t i o n u n d d i e E n t f e r n u n g d e s Ar s e n s z u e r r e i c h e n , wu r d e d a s Wa s s e r b i s z u v i e r ma l h i n t e r e i n a n d e r d u r c h d i e g l e i c h e S u l e f i l t r i e r t .Be i j e d e r F i l t r a t i o n wu r d e n d i e mi t Ar s e n b e l a d e n e n E i s e n h y d r o x i d e n v o mS a n d z u r c k g e h a l t e n , we l c h e d u r c h e i n e a n s c h l i e s s e n d e R c k s p l u n g e n t f e r n t we r d e n k o n n t e n . W h r e n d d e r Be h a n d l u n g s t i e g d e r p H d u r c h En t we i c h e n v o n CO2 v o n e t wa 7 a u f 8 . Di e s f h r t z u e i n e r Be s c h l e u n i g u n g d e r

E i s e n o x i d a t i o n u n d e i n e mwa c h s e n d e n An t e i l v o n E i s e n h y d r o x i d e n , we l c h eu n mi t t e l b a r i n d e r S u l e g e b i l d e t we r d e n . Di e Ox i d a t i o n v o n F e ( I I ) , d i e d i r e k t i n d e r S u l e s t a t t f i n d e t , f h r t a u f d e n E i s e n s p n e n z u e i n e r P a s s i v s c h i c h t ,we l c h e d u r c h e i n e R c k s p l u n gn i c h t v o l l s t n d i g e n t f e r n t we r d e n k o n n t e n .

I m d r i t t e n Te i l k o n n t e i n Ba n g l a d e s h mi t e i n e r me h r s t u f i g e n F i l t e r a n o r d n u n g b e r 9 0 L mi t Ar s e n k o n t a mi n i e r t e nWa s s e r s b e h a n d e l t we r d e n u n d d e n

Ri c h t we r t v o n ma x i ma l 5 0 p g / L As e r r e i c h e n . Di e F i l t e r i n d e r An l a g e e n t h i e l t e n n e b e n S a n d 1 0 g E i s e n s p n e , v e r t e i l t i n 3 b i s 5 P ET - F l a s c h e n , we l c h ek o p f b e r u n d b e r e i n a n d e r a n g e o r d n e t wa r e n . Da s Wa s s e r f l o s s d u r c h e i n2 mm b r e i t e s L o c h , we l c h e s z u e r s t i n d e n S c h r a u b v e r s c h l u s s g e b o h r t w u r d e . Da mi t d a s F i l t e r ma t e r i a l , d a s s i c h i m F l a s c h e n h a l s b e f a n d , n i c h t

we g g e s c h we mmt wu r d e , wu r d e d i e s e s L o c h i m I n n e n d u r c h me s s e r d e s S c h r a u b v e r s c h l u s s e s mi t e i n e mP a p i e r t u c h z u g e d e c k t .

Ve r g l e i c h b a r mi t d e n L a b o r e x p e r i me n t e n f h r t e d i e Ko r r o s i o n d e r Ei s e n s p n e z u r Bi l d u n g v o n F e ( I I ) , we l c h e s d u r c h d i e me h r s t u f i g e F i l t e r a n o r d n u n g l a n g s a m u n d wi e d e r h o l t o x i d i e r t e u n d s o z u e i n e r v o l l s t n d i g e n Ox i d a t i o n d e s Ar s e n s f h r t e . We i l d a s s o g e b i l d e t e As ( V) v o l l s t n d i g a n d e n f r i s c hg e b i l d e t e n E i s e n h y d r o x i d ea d s o r b i e r t e e r r e i c h t e d a s Wa s s e r T r i n k wa s s e r q u a l i t t .

v u i


4/5

S u mma r y

Ar s e n i c c o n t a mi n a t i o no f g r o u n d wa t e r h a s b e e n d o c u me n t e d i n ma n y p a r t so f t h e wo r l d . T h e s o u r c e s o f a r s e n i c c a n b e a n t h r o p o g e n i c ( e . g . p e s t i c i d e s ) ,v o l c a n i c ( e . g . h o t S p r i n g s ) o r c o m e f r o mn a t u r a l we a t h e r i n g o f a r s e n i c b e a r i n g mi n e r a l s ( e . g . a r s e n o p y r i t e ) . Hi g h a r s e n i c c o n c e n t r a t i o n s i n g r o u n d wa t e r w e r e d i s c o v e r e d i n S o u t h - As i a a n d S o u t h - Ame r i c a wh e r e a r s e n i c h a sb e e n mo b i l i z e d d u e t o s t r o n g l y r e d u c i n g c o n d i t i o n s o r a r i d e n v i r o n me n t swi t h h i g h p H. T h e d a i l y i n g e s t i o n o f a r s e n i c - c o n t a mi n a t e d wa t e r l e a d s t o amu l t i t u d e o f s e v e r e d i s e a s e s wh i c h ma y b e f a t a l t o t h e p a t i e n t . I n Ba n g l a d e s hu p t o 5 0 mi l l i o n p e o p l e d r i n k a r s e n i c c o n t a mi n a t e d wa t e r .

T h e g o a l o f t h i s wo r k wa s t o d e v e l o p a me t h o d f o r a r s e n i c r e mo v a l f r o md r i n k i n g wa t e r . T h e f a t e o f a r s e n i c i n t h e e n v i r o n me n t i s ma i n l y c o n t r o l l e db yi t s r e d o x c h e mi s t r y . Ar s e n i t e i s h i g h l y mo b i l e wh e r e a s t h e n e g a t i v e l y c h a r g e da r s e n a t e

s t r o n g l y a d s o r b so n mi n e r a l s u r f a c e s . I n t h e

p r e s e n c eo f

p h o s p h a t ea n d S i l i c a t e , o x i d a t i o n o f As ( I I I ) t o As ( V) i s p a r t i c u l a r l yi mp o r t a n t , a s As ( I I I )c a n n o t c o mp e t e wi t h p h o s p h a t e a d s o r p t i o n o n HF O u p t o a p H o f 8 .

I n a f i r s t s t e p we i n v e s t i g a t e d t h e e f f e c t o f F e ( I I ) o x i d a t i o n o n t h e r e d o xS t a t e o f a r s e n i c b y a d d i n g F e ( I I ) t o As ( I I I ) c o n t a i n i n g wa t e r . T h e o x i d a t i o no f F e ( I I ) i n a i r - s a t u r a t e d As ( I I I ) S o l u t i o n s l e a d t o p a r t i a l o x i d a t i o n o f As ( I I I )t o As ( V) . Af t e r t h e o x i d a t i o n o f F e ( I I ) i s c o mp l e t e , As ( I I I ) i s n o t f u r t h e r o x -i d i z e d . Ad d i t i o n a l e x p e r i me n t s wi t h O2 , H2 O2 a n d i s o p r o p a n o l a l l o we d t ou n d e r s t a n d i n d e t a i l t h e o x i d a t i o n me c h a n i s m o f As ( I I I ) i n t h e p r e s e n c e o fF e ( I I ) a n d t o d e v e l o p a k i n e t i c mo d e l e x p l a i n i n g t h e r e s u l t s q u a n t i t a t i v e l y .T h e h i g h e r As o x i d a t i o n r a t e s o b t a i n e d a t i n c r e a s e d p H a r e e x p l a i n e d b y t h e

p H- d e p e n d e n t r a t e o f F e ( I I ) o x i d a t i o n . As ( I I I )wa s f o u n d t o b e o x i d i z e d b yr e a c t i v e i n t e r me d i a t e s s u c h a s * OH a n d F e ( I V) , f o r me d d u r i n g t h e r e d u c t i o n

o f d i s s o l v e d O2 b y F e ( I I ) . S i n c e F e ( I I ) a l s o c o n s u me s t h e r e a c t i v e i n t e r me d i a t e s , As ( I I I ) o x i d a t i o n a f t e r a s i n g l e F e ( I I ) a d d i t i o n i s l i mi t e d .

I n t h e s e c o n d p a r t o f t h i s t h e s i s a s e r i e s o f e x p e r i me n t s w e r e c o n d u c t e dt o i n v e s t i g a t e t h e a r s e n i c r e mo v a l c a p a c i t y o f z e r o v a l e n t i r o n u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s . Ae r a t e d g r o u n d wa t e r f l o wi n g t h r o u g h a g l a s s c o l u r n n o f 2 4c m c o n t a i n i n g a mi x t u r e o f 1 . 5 g i r o n f i l i n g s a n d 3 - 4 g s a n d l e a d t o t h e c o r r o s i o n o f z e r o - v a l e n t i r o n a n d r e l e a s e o f d i s s o l v e d F e ( I I ) , u p t o a c o n c e n t r a -

I X


5/5

t i o n o f 8 mg / L . I n a g r e e me n t wi t hp r e v i o u s e x p e r i me n t s ,

t h e o x i d a t i o n o f

F e ( I I ) b y d i s s o l v e d o x y g e n i n t h e r e e i p i e n t Co n t a i n e r c a u s e d p a r t i a l o x i d a t i o no f As ( I I I ) . T h e s o - f o r me d As ( V) s t r o n g l y s o r b e d o n t o t h e f o r mi n g HF O. T oc o mp l e t e t h e o x i d a t i o n a n d r e mo v a l o f a r s e n i c , t h e wa t e r wa s a e r a t e d a n df i l t e r e d f o u r t i me s t h r o u g h t h e z e r o v a l e n t i r o n - s a n d f i l t e r . I n e a c h f i l t r a t i o ns t e p , t h e HF O wi t h a d s o r b e d As ( V) wa s r e t a i n e d b y t h e s a n d g r a i n s a n d wa sr e mo v e d b y b a c k wa s h i n g . Du e t o o u t g a s s i n g o f d i s s o l v e d CO2 t h e p H o ft h e wa t e r i n c r e a s e d f r o m 7 t o 8 d u r i n g t h e t r e a t me n t , l e a d i n g t o a c c e l e r a t e dF e ( I I ) o x i d a t i o n a n d i n c r e a s i n g f r a c t i o n s o f HF O f o r mi n g d i r e c t l y i n t h e c o l u r n n . Ox i d a t i o n o f F e ( I I ) i n t h e c o l u r n n a n d h i g h p H c a u s e d f o r ma t i o n o fs c a l i n g o n t h e i r o n f i l i n g wh i c h c o u l d n o t b e r e mo v e d c o mp l e t e l y b y b a c k

wa s h i n g . Na t u r a l g r o u n d wa t e r c o n s t i t u e n t s s u c ha s

p h o s p h a t e a n d . S i l i c a t emi g h t l i mi t t h e a r s e n i c r e mo v a l e f f i c i e n c y o f z e r o v a l e n t i r o n . T o i mp r o v e t h eme t h o d , t h e i n f l u e n c e o f p h o s p h a t e , S i l i c a t e , c a l c i u m, a n d ma g n e s i u m w e r ei n v e s t i g a t e d a n d d i s c u s s e d i n t h e t e x t .

I n t h e t h i r d p a r t , a r s e n i c r e mo v a l e x p e r i me n t sw e r e c o n d u c t e d i n t h e l a b o r a t o r y a n d i n Ba n g l a d e s h wi t h d i f f e r e n t mu l t i p l e f i l t r a t i o n u n i t s . Ov e r 9 0 L o fc o n t a mi n a t e d g r o u n d wa t e r c o u l d b e t r e a t e d wi t h a f i l t r a t i o n u n i t c o n t a i n i n gf i v e f i l t e r s c o n t a i n i n g a t o t a l o f 1 0 g i r o n .

T h e f i l t e r c o l u mn s w e r e b u i l d wi t h 3 - 5 v e r t i c a l l y a l i g n e d P E T b o t t l e s p a r -t i a l l y f i l l e d wi t h s a n d a n d l o c a l l y p r o d u c e d i r o n f i l i n g s . T h e f i l t e r me d i a wa sp l a c e d i n t h e b o t t l e n e c k . T h e w a t e r f l o we d t h r o u g h a h o l e i n t h e s c r e w c a pwh i c h h a d f i r s t b e e n c o v e r e d wi t h a t i s s u e i n o r d e r t o r e t a i n t h e s a n d a n di r o n mi x . S i mi l a r t o p r e v i o u s e x p e r i me n t s F e ( I I ) i s c o n t i n u o u s l y f o r me d o nt h e c o r r o d i n g i r o n s u r f a c e a n d p a r t l y r e l e a s e d i n t o S o l u t i o n . T h e o x i d a t i o no f d i s s o l v e d a n d a d s o r b e d F e ( I I ) l e a d s t o As ( I I I ) o x i d a t i o n , wh i c h e x p l a i nt h e o b s e r v e d g e n e r a l l y g o o d P e r f o r ma n c e o f f i l t e r s u s i n g F e ( 0 ) i n t e r ms o f a r s e n i c r e mo v a l . As o b s e r v e d i n f o r me r e x p e r i me n t s DOC, p h o s p h a t e , S i l i c a t e ,c a l c i u m, a n d ma g n e s i u m p l a y a n i mp o r t a n t r o l e o n t h e a r s e n i c r e mo v a l e f f i c i e n c y b y z e r o v a l e n t i r o n . T h e wa t e r c o n s t i t u e n t s l i s t e d a b o v e w e r e t h e r e f o r ec l o s e l y mo n i t o r e d d u r i n g t h e wa t e r t r e a t me n t a n d c o n s i d e r e d i n t h e d e s i g n o ft h e mu l t i p l e f i l t r a t i o n u n i t s t o r n i n i mi z e t h e i r n e g a t i v e i mp a c t .

arsenic removalat the household level 1

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