Messen auf Kohlenstoffbasis Contaminant Mineralisation mit kombinierten CO<sub> 2</sub> Flux und Radiokarbon-Analysen
Summary
A protocol is described wherein CO2 mineralized from organic contaminant (derived from petroleum feedstocks) biodegradation is trapped, quantified, and analyzed for 14C content. A model is developed to determine CO2 capture zone’s spatial extent. Spatial and temporal measurements allow integrating contaminant mineralization rates for predicting remediation extent and time.
Abstract
Es wird ein Verfahren beschrieben, das die Abwesenheit von Radiokohlenstoff in Industriechemikalien verwendet und Kraftstoffen aus Erdöleinsatzmaterialien hergestellt, die häufig die Umwelt verunreinigen. Dieses Signal Radiokarbon – oder vielmehr das Fehlen von Signal – wird gleichmäßig über eine Schadstoffquelle Pool verteilt ( im Gegensatz zu einem zusätzlichen Tracer) und wird nicht durch biologische, chemische oder physikalische Prozesse beeinflusst (zB die 14 C radioaktiven Zerfallsrate ist unveränderlich). Wenn die fossilen abgeleitete Verunreinigung ist vollständig abgebaut zu CO 2, ein harmloses Endprodukt, dass CO 2 keine Radiokarbon enthalten. CO 2 aus natürlichen organischen Material (NOM) Abbau wird die NOM Radiokarbongehalt widerspiegeln ( in der Regel <30.000 Jahre alt). Da kann eine bekannte Radiokarbon – Inhalte für NOM (eine Website Hintergrund), ein zwei Endglied Mischmodell verwendet werden , um das CO 2 aus fossilen Quelle in einem gegebenen Bodengas oder Grundwasserprobe abgeleitet zu bestimmen. Die Kopplung des percent CO 2 aus der Verunreinigung mit dem CO 2 Atmungsrate abgeleitet liefert eine Schätzung für die Gesamtmenge an Verunreinigungen pro Einheitszeit abgebaut. Schließlich Bestimmen einer Einflusszone (ZOI) , die das Volumen , von dem Standort CO 2 gesammelt wird , ermöglicht es dem Schadstoffabbau pro Zeit- und Volumeneinheit zu bestimmen. Zusammen mit den Schätzungen für die Gesamtschadstoffmasse, kann dies letztlich verwendet werden, die Time-to-remediate zu berechnen oder anderweitig von Site-Manager verwendet für die Entscheidungsfindung.
Introduction
Umweltsanierungskosten sind erschütternd, mit zahlreichen Altlasten in den USA und im Ausland. Dies macht innovative Behandlung und Überwachung Strategien wesentlich zur Erreichung Complete Response (RC) Status wirtschaftlich (zB keine weiteren Maßnahmen erforderlich). Traditionell haben die Linien konvergierender Beweise in situ Bioremediation, abiotische Schadstoffumwandlung oder andere Formen der natürlichen Dämpfung untermauert. Beweislinien nicht unbedingt verwendet werden , Abbau zu bestätigen oder Schadstoffabbaurate Informationen unter di – situ – Bedingungen 1 zu sammeln. Sanierungs Zeitplan (s) zur Vorhersage wurde oft empfohlen worden, aber die Verknüpfung dieser Daten kosteneffektiv eine breite Palette von Daten sammeln absolut Sanierung zu bestätigen hat 2-4 gewesen problematisch. Beziehen Sie die realistischste und komplette Website konzeptionellen Modelldaten mit so wenig Kosten wie möglich ist eine ultimative Ort-Management-Ziel. Außerdem Regler und stakeholder Forderungen stellen zusätzliche Treiber für den Erhalt der rechtzeitige, wertvolle und kosteneffektive Informationen. Eine relativ preiswerte Methoden der Lage, überzeugende Beweise für die Schadstoffumsatzraten bieten bieten den größten Nutzen für die Ziele Bereinigung erfüllen.
Da sehr unterschiedliche Isotopensignaturen in Kohlenstoff basierenden Verunreinigungen vorhanden sind, Kohlenstoff – Isotope wurden zum Verständnis Schadstoffminderungsprozesse an Feldstandorten 5-13 vor kurzem angewendet. Stabiler Kohlenstoffisotope können verwendet werden , um zu bestimmen , ob eine Quelle auf Rayleigh Destillations kinetics (cf 5,6 auf Bewertungen) basiert dämpfen. Diese Methodik, während bequem, kann begrenzt sein, wenn Verunreinigungen aus gemischten Quellen sind – oder stellen keine isotopen einzigartige "Start" Spill (von dem anfänglichen stabilen Kohlenstoffisotopenverhältnisse abgeleitet werden können). Natürliche Fülle Radiokarbon-Analyse stellt eine Alternative (und vielleicht auch ergänzende) Isotopen strategy zur Messung von auf Kohlenstoff basierenden Schadstoffabbau zu CO 2. Brennstoffe und Industriechemikalien aus Erdölausgangsmaterialien abgeleitet werden völlig frei von 14 C im Verhältnis zu zeitgenössischen (aktiv Radfahren) Kohlenstoff, die durch kosmische Strahlung Reaktionen in der Atmosphäre erzeugt 14 C enthält. Radiokarbon – Analyse ist der Fraktionierung nicht Gegenstand als stabile Analyse des Kohlenstoffisotops ist, und 14 C – Zerfall nicht wesentlich beeinflusst durch physikalische, chemische oder biologische Prozesse. Darüber hinaus ist die 14 C – Signal – oder deren Fehlen – in Erdöl gewonnenen Materialien wird gleichmäßig über den Schadstoff Pool verteilt es sich um eine vollständig mischbar Tracer zu machen. Die hier beschriebene Technik beruht auf der Beobachtung , dass jede CO 2 aus einem fossilen abgeleitet Verunreinigung erzeugt wird von 14 C frei sein , während CO 2 aus Mikroorganismen erzeugt NOM abbau leicht messbare Mengen von 14 C enthalten Messung14 CO 2 ermöglicht auch ein zu voller Schadstoffabbau (dh Mineralisierung) auf ein unbedenkliches Endprodukt direkt verbinden.
14 CO 2 Analyse verwendet worden Verbrennung fossiler Brennstoffe anfallSchadstoffAbbauProdukte 7-13 zu folgen. Dies ist aufgrund der analytischen Auflösung zwischen Endglieder (fossil und modern), die rund 1.100 Teile pro Tausend (‰). Im Allgemeinen Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) wird verwendet, um natürliche Fülle Radiokarbon zu lösen. Atmosphärische CO 2 (~ + 200 ‰) lebenden Biomasse (~ + 150 ‰) und der organischen Bodensubstanz abgeleitete CO 2 (~ -200- + 100 ‰) sind alle analytisch verschieden von fossilen abgeleitet CO 2 (-1000 ‰). Dies ist aufgrund der vollständigen Zerfall aller 14 C, das eine Halbwertszeit von rund 6000 Jahren. Brennstoffe und Industriechemikalien aus Erdölausgangsmaterialien abgeleitet, die aus dem aktiven Kohlenstoffkreislauf entfernt Jahrmillionen, Haben eine ausgeprägte Radiokarbon-Signatur (-1000 ‰ ≈ 0% modern – keine Erkennung auf AMS Bedeutung). Die Messung ist einfach und in Bezug auf die Kontamination der Probe, die fast alle potentielle Vorurteile sind in Richtung der konservativen (die Probe mit modernen CO verunreinigen 2). Zum Beispiel bekommen atmosphärischen CO 2 in einer Probe würde die Radiokarbon – Isotopensignatur erhöhen und damit bewirken , dass die Abbaurate zu unterschätzen.
CO 2 entwickelte sich aus auf fossilen Brennstoffen beruhenden Schadstoffabbau wird Radiokarbon-frei sein. Auf einem Hintergrund – Website ohne Verunreinigung, CO 2 veratmet aus natürlichem organischem Material (NOM) wird altersgerecht auf die NOM sein. Innerhalb der Wolke oder an den Rändern, schadstoff abgeleitet CO 2 0% moderne Kohlenstoff haben. CO 2 aus NOM Quellen und CO 2 aus fossilen Quellen stammen , können mit einem zwei Endglied unterschieden werden Mischmodell 11. Es ist somit möglich, ESTIMAte , den Anteil des gesamten CO 2 Pool (respired Kohlenstoff) zuzuschreiben der Verunreinigung. Mit nur diesen Anteil, fossilen Kohlenwasserstoff oder industrielle chemische Oxidation an Feldstandorten wurde 7-13 bestätigt. Dieser Anteil an Verunreinigung 2 abgeleitet CO können dann mit Gesamt – CO 2 Mineralisierungsrate gekoppelt werden (alle CO 2 pro Zeit- und Volumeneinheit gesammelt) intrinsische Schadstoffmineralisierungsrate zu bestimmen. Diese Dämpfungsrate Unter der Annahme, würde bei gegebenen Bedingungen vor Ort fortsetzen, könnte man dann Zeit für die Schließung von Standorten benötigt abzuschätzen.
Es sind Techniken zur Bestimmung von Bodenhorizont CO 2 Flüsse mit Methoden mit offenen oder geschlossenen System – Designs 14 zur Verfügung. Closed-System Flusskammern und Gasflussmodelle verwendet wurden , in kontaminierten Böden 12,13,15-17 Netto-Atmung zu bestimmen. In diesen Studien räumlichen Messungen direkt mit einer Schadstofffahne verbunden sind und mit background Bereiche zeigten biologischen Abbau organischer Verunreinigungen verbessert. Verschiedene Modellierungsmethoden wurden verwendet, um vertikale Flussmessungen an Ort Volumen skalieren. Das Ziel dieser Studie war es, Methoden zu entwickeln , um genügend CO 2 für AMS – Analyse zu sammeln (~ 1 mg) ohne Einfluss von atmosphärischen CO 2 Kontamination (abgedichtete Bohrlöcher) , während die Sammelquote mit Schadstoff Atmung zu bestimmen. Schließlich massstabsEinflussZone (ZOI) Modellierung letztlich die Messung zu 3 Dimensionen (Volumen) erlaubt die Chlorkohlenwasserstoff (CH) Umwandlung auf einer pro Volumeneinheit und pro Zeiteinheit Basis zu bestimmen. Die ZOI ermöglicht es zu bestimmen, wieviel Volumen der Atmungs und Radiokarbon-Messungen entnommen werden. Das Verfahren besteht aus Trapping CO entwickelte 2 durch gut Luftraum Gas durch eine NaOH – Falle Umwälzen, die Radiokarbongehalt des gesammelten CO – Mess 2, unter Verwendung eines zwei Endglied Modell des CO 2 gesammelt zu verteilen ori Verunreinigunggin, dann Skalieren der Messung auf ein Volumen von einem ortsspezifischen Grundwassermodell berechnet. Die gut Luftraum Gas so rezirkuliert , daß nur Gleichgewicht "pull" CO 2 von dem benachbarten ZOI verarbeitet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Ein Protokoll beschrieben, die Geschwindigkeitsmessungen, Anteil Mineralisierung von Verunreinigung (en) und ZOI miteinander zu verbinden sucht gesamte Website Schadstoffabbau zu bestimmen. Die kritischen Komponenten sind, die CO 2 -Produktion (Mineralisierung , wenn korrigiert) Messung der Zeit, die gleichzeitig die respired CO 2 in ausreichender Menge (~ 1 mg) für AMS Radiokarbon – Analyse zu sammeln Menge von Schadstoffabbau abgeleitet Bereitstellung und eine ZOI Modells zu beziehen das aufgenommene CO 2 zu einem bekannten Volumen von Boden oder Grundwasser (oder beides). Diese drei Hauptkomponenten werden kombiniert , um eine Gesamtberechnung an jedem Abtastpunkt für Menge an Verunreinigung pro Volumeneinheit pro Zeiteinheit (gm -3 d -1, beispielsweise) abgebaute ankommen. Skalierung der Berechnungen durch wiederholte und geographisch getrennten Messungen (Brunnen Abdecken einer Website unterabgetastet über längere Zeitskalen), ermöglicht es Bauleitern räumliche und tempor zu schätzenal Abbaudynamik und in geeigneter Weise an die Aufsichtsbehörden und Interessengruppen reagieren.
Das beschriebene Protokoll verwendet Umwälzpumpen oder langfristigen Einsatz Passivsammler (eine Strategie derzeit in der Entwicklung) zu stoppen aus CO 2 aus gut Luftraum Gas. Der Grund dafür ist ein vielfaches. In erster Linie ausreichend CO 2 muss gesammelt werden , um Radiokarbon – Messungen (~ 1 mg) zu erhalten. Respiration Raten können mit Bodenoberfläche gemessen werden: Luftaustausch Fallen oder mit Bodenatmung Instrumente (Licor Flusskammer zum Beispiel). Diese Methoden leiden unter der Notwendigkeit, asynchron ausreichend CO 2 für Radiokarbon – Analyse zu sammeln – also vielleicht die Messung vorgespannt wird . Zum Beispiel kann eine Flusskammer ausgestattet sein Boden zu messen: Luft CO 2 Austausch während für Zustrom von atmosphärischen CO 2 17 Bilanzierung. Es sei denn , Atmungsraten hoch sind, reichlich CO 2 für Radiokarbon – Messungen können nicht gefangen werden. Imdieser Fall können Proben aus großen Bodengasproben oder aus dem Grundwasser (mit DIC) 12 entnommen werden. Darüber hinaus am Boden CO 2 Flussmessung: Luftoberfläche ist zu Zustrom aus der Atmosphäre lateral der Flusskammer oder Trap – Thema. Sampling gut Luftraum "Isolate" das Signal auf den Bereich der Verschmutzung ( in Abhängigkeit von Aufstellung zu einem gewissen Grad) , sondern wird in geeigneter Weise aus atmosphärischer Zustrom entfernt (und atmosphärisch generierter modernen 14 CO 2). Die Hauptschwierigkeit ist aus dem gut Abtasten ohne es zu öffnen, um mit Fallen zu ändern (für zeitliche Abtastung).
Umwälzpumpen Mit ermöglicht es , die Probenposition 2 auf Atmosphären 14 CO zu belichten , ohne gut Luftraum und ändern CO 2 Fallen in regelmäßigen Abständen zu probieren. Es ermöglicht auch eine erhebliche CO 2 , die dann für Fluss und natürliche Radiokarbongehalt analysiert werden können , zu probieren. Die Rezirkulation protocol ist nicht ohne Schwierigkeiten. Ein großes Problem liefert ausreichend Leistung Pumpen kontinuierlich in das Feld zu laufen. Für den ersten Versuch (hier beschrieben), Sonnenkollektoren vorgesehen genügend Energie Pumpen für jeden Zeitraum von zwei Wochen laufen. Spannung Protokolle zeigten, dass nach einigen Tagen, Solarenergie nicht mit der benötigten Leistung Schritt halten konnte und Pumpen waren nicht in Betrieb für mehrere Stunden pro Tag. Dies war unwesentlich für die Flussmodellierung und Gesamt Sammlung, sondern hebt die Schwierigkeiten bei der Bereitstellung von ausreichend Leistung zu Feld-Einsatz-Hardware. In derzeit laufenden Sammlungen, Macht Pumpen durch Bodenpersonal Mähen im Überwachungsbrunnenfeld unterbrochen. Mehrere Stromleitungen durchtrennt wurden. Wir prüfen gegenwärtig Luftraum entfalteten passive CO 2 Fallen , die mit absorbierte CO 2 zu einem späteren Zeitpunkt in den Brunnen und abgerufen gesenkt werden konnte. Ein Risiko-Nutzen-Analyse ist im Gange (das Risiko, vor allem aus, die abgeleitet, um den Bohrlochkopf zu öffnen und zu ermöglichen, in der atmosphärischen14 CO 2).
Die Technik der wichtigsten Einschränkungen sind in der Lage , die genaue Atmung Quelle in gemischten Verunreinigungssystemen zu unterscheiden und nicht für Zwischen Kohlenstoff basierenden Abbauprodukte (dh DCE, VC, Methan) ausmachen können. Zum Beispiel am aktuellen Standort gab es historische Brennstoff Kohlenwasserstoff Verunreinigung zusätzlich zu CH Kontamination. CHs werden fast ausschließlich aus Erdöleinsatzmaterialien hergestellt. An der beschriebenen Stelle, CH in erster Linie isoliert in der Region untersucht – während einige Rest Erdöl in den Norden offenbar existiert. Kein Erdöl wurde in Brunnen für diese Arbeit Stichprobe gefunden. Doch bei einem gemischten Schadstoff Standort, die allgemeine Mineralisierungsrate könnte schwierig sein, zu einem Individuum oder einer Klasse von Verunreinigungen zu binden. Mit dieser Methode kann man den vollständigen Abbau CH (CO 2) zu quantifizieren. Wenn wird die Verunreinigung Kohlenstoff 4 (anaerobe Bedingungen) zu CH umgewandelt, kann die CH 4 sein & #34;. Verloren " , wenn sie weg von der ZOI diffundiert Das Kohlenstoff wird wahrscheinlich in der ungesättigten Zone zu CO 2 in oxic Teile umgewandelt werden , wenn diese nicht innerhalb der ZOI, das beschriebene Verfahren für das Konto wird in diesem Fall nicht auftritt.. kann das beschriebene Verfahren einen konservativen Schätzfunktion betrachtet werden, die aus regulatorischer Sicht wünschenswert ist. Zusätzlich ist der ZOI Modellierung nicht ohne Unsicherheit. Simulationen basieren auf "singulären" Werte wie Porosität und Schüttdichte, die in Teilproben gemessen wird angenommen sein homogen – in Wirklichkeit aber auf der Makro- und Mikrowaagen sind heterogen A wahrgenommen Begrenzung der Kostenanalyse für natürliche Fülle Radiokarbon sein kann (was so viel wie $ 600 pro Probe sein kann) die endgültige Art der Informationen von Radiokarbon-Marken gesammelt.. die Kosten sehr niedrig in der Realität. Mit mehreren gut ausgewählten Proben, kann man feststellen , ob erhebliche Sanierungs auftritt. wenn zum Beispiel die CO 2 assoziiert with einer Schadstofffahne ist relativ 10 zu einem Hintergrund – Website Radiokarbon-verarmten. Ein Standort mit niedrigen Umgebungs pH – Wert (> ~ 4.8) und erhebliche Kalkstein (CaCO3) kann ein schlechter Kandidat für die Anwendung dieser Technik sein. Alte Carbonat Ablagerungen könnten in niedrigen pH-Wert und spannen die Analyse aufzulösen.
Die Bedeutung des Technik ist beträchtlich, da eine einzige Messtyp (natürliche Häufigkeit Radiokarbon) sofort verwendet werden können , in situ – Umwandlung von Verunreinigung zu bestätigen zu CO 2. Diese Analyse ist definitiv. Radiokarbon kann nur durch radioaktiven Zerfall verbraucht werden – die trotz physikalische Konstante ist, chemische oder biologische Veränderungen jeglicher Ausgangsmaterials. Statische Messungen Radiokarbon (zum Beispiel DI 14 C) kann auf Chargenproben erfolgen und sofort bestätigen , wenn 14 C-abgereichertem CO 2 an einer Stelle , weit verbreitet ist (unwiderlegbar Schadstoff Mineralisierung angibt , zu CO 2). Diese Information allein ist unglaublich wertvoll für Site-Manager als ohne sie, werden sie zahlreiche indirekte Beweislinien zu verwenden, erforderlich, dass Verunreinigungen Mineralisierung zu schließen auftritt. Keine andere einzelne Messung kann eine konkrete Verbindung zwischen 2 bis vollständigen Abbau erzeugten kohlenstoffbasierte Kontaminanten und dem kohlenstoffhaltigen CO bereitzustellen.
Zukünftige Anwendungen sind derzeit im Gange, in denen unsere Gruppe zeitliche Auflösung Abtasten erhöht ein ganzes Jahr zu umfassen. Durch das Sammeln von CO 2 und die Bestimmung der Mineralisierungsrate (n) über die räumliche Ausdehnung des Geländes, können wir Modelle für Schadstoffabbau im Laufe der Zeit zu verfeinern. Diese Informationen werden auf kritische Weise von Site-Manager benötigt, um am effektivsten kontaminierten Standorten verwalten. In den begrenzten Einsatz, Regulierungsbehörden auf drei Standorte, an denen die Technik angewandt wurde haben die Methoden endgültigen Ergebnisse anerkannt. Dies hat dazu geführt, zu Kosteneinsparungen und half Sanierungs alte Führungrnatives.
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financial support for this research was provided by the Strategic Environmental Research and Development Program (SERDP ER-2338; Andrea Leeson, Program Manager). Michael Pound, Naval Facilities Engineering Command, Southwest provided logistical and site support for the project. Brian White, Erika Thompson and Richard Wong (CBI Federal Services, Inc) provided on-site logistical support, historical site perspective and relevant reports. Todd Wiedemeier (T.H. Wiedemeier & Associates) provided documentation, discussion and historical site perspectives.
Materials
| Air pump; Power Bubbles 12V | Marine Metal | B-15 | |
| Marine Sealant | 3M | 5200 | for sealing pumps |
| Silicone Sealant | Dap | 08641 | for sealing pumps |
| Tubing for gas recirculation | Mazzer | EFNPA2 | |
| Stopcocks (for gas lines) | Cole-Parmer | 30600-09 | for assembling gas lines |
| Male luer lock fittings | Cole-Parmer | WU-45503-00 | for assembling gas lines |
| Female luer lock fittings | Cole-Parmer | EW-45500-00 | for assembling gas lines |
| 4" Lockable J-Plug well cap | Dean Bennett Supply | NSN | 2" if smaller wells |
| HOBO 4-Channel Pulse Data Logger | Onset | UX120-017 | Older model no longer available. Use to monitor pump operation |
| Serum bottles 100 mL (cs/144) | Fisher Scientific | 33111-U | For CO2 traps |
| Septa (pk/100) | Fisher Scientific | 27201 | For CO2 traps |
| Coulometry | |||
| Anode solution | UIC, Inc | CM300-001 | |
| Cathode solution | UIC, Inc | CM300-002 | |
| For IC analysis | |||
| Dionex Filter Caps 5 ML 250/pk | Fisher Scientific | NC9253179 | Caps for IC |
| Dionex 5 mL vials, 250/pk | Fisher Scientific | NC9253178 | Vials for IC |
| If using solar power | |||
| Renogy Solar Panel kit(s) | Renogy | KT2RNG-100D-1 | Bundle provides 200W |
| VMAX Solar Battery | VMAX | VMAX800S | For energy storage |
Riferimenti
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