Sorption of a branched nonylphenol isomer and perfluorooctanoic acid on geosorbents and carbon nanotubes

Li, Chengliang; Klumpp, Erwin

doi:3715

Sorption of a branched nonylphenol isomer and perfluorooctanoic acid on geosorbents and carbon nanotubes = Sorption von verzweigten Nonylphenolisomeren und Perfluroctansäure an Geosorbenten und Kohlenstoffnanoröhren

Li, Chengliang (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Chengliang Li

ImpressumJülich : Forschungszentrum, Zentralbibliothek 2011

UmfangX, 102 S. : graph. Darst., Kt.

ISBN978-3-89336-716-0

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich : Reihe Energie & Umwelt ; 110

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Klumpp, Erwin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-05-06

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37154
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/52801/files/3715.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Kohlenstoff-Nanoröhre (Genormte SW) ; Nonylphenol (Genormte SW) ; Sorption (Genormte SW) ; Chemie (frei) ; sorption (frei) ; persistent organic pollutant (frei) ; geosorbent (frei) ; carbon nanotubes (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 540

Kurzfassung
Tensidabbauprodukte, wie Nonylphenol (NP) und Perfluoroctansäure (PFOA), sind toxisch und ubiquitär in der Umwelt. Ihre Sorption an Böden und Sedimenten ist wichtig für ihr Schicksal und ihren Transport in der Umwelt. Insbesondere in China gibt es kaum Erkenntnisse über das Sorptionsverhalten von NP und PFOA an Geosorbentien wie z.B. an Yangtze Flusssedimenten. Daher beschäftigt sich diese Arbeit mit der Sorption eines verzweigten NP-Isomers [4-(1-Ethyl-1, 3-Dimethylpentyl) Phenol] (NP111) und von PFOA an Yangtze Sedimenten und ihren Modelkomponenten wie am Schichtsilikat Illit, an Metalloxiden (Goethit und δ-Al2O3) und an der organischen Substanz (isoliert aus Yangtze-Sedimenten sowie kommerzielle organische Substanz) mittels Batch- und Dialyse-Techniken. Obwohl NP111 das umweltrelevanteste NP-Isomer ist, ist sein Schicksal in der Umwelt größtenteils unbekannt. Da PFOA an Geosorbentien schwach adsorbiert, wurden mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren (MWCNTs), als vielversprechende Adsorbentien, untersucht. Eine von den verwendeten MWCNTs enthielt Metallkatalysatorreste an der äußeren Oberfläche. Die Sorptionsisothermen von NP111 und PFOA an Yangtze-Sedimenten und ihren Modellkomponenten konnten durch das Freundlich-Modell gefittet werden. Die Sorption von NP111 an Sedimenten hing größtenteils von dem organischen Kohlenstoffgehalt ab. Die kohlenstoff-bezogenen Sorptionskoeffizienten (Koc) lagen zwischen 6,3 x 103 und 1,1 x 104 L kg-1. Die Sorption von NP111 an delta-Al2O3 und Illit war vergleichbar mit der an Sedimenten, aber sie war deutlich niedriger als an Goethit. Im Gegensatz zum Verhalten von NP111 war die Sorption von PFOA an Sedimenten deutlich niedriger. Die PFOA-Affinität zu Goethit und delta-Al2O3 war geringfügig größer als zu den Sedimenten, aber sie war vernachlässigbar zu der organischen Substanz bzw. zum Illit. Die Ergebnisse deuten an, dass Goethit als potentielle Senke sowohl für NP111 als auch für PFOA fungieren kann. Die Adsorptionsisothermen von NP111 an Huminsäuren (HAs) konnten durch ein lineares Modell beschrieben werden. Die Koc Werte betrugen zwischen 2,3x103 und 1,5x104 L kg-1. Die Adsorption nahm mit zunehmenden pH-Werten unter alkalischen Bedingungen ab. Interessanterweise konnte ein klarer Zusammenhang zwischen Koc –Werten und dem Alkylgehalt für HAs mit vergleichbarem Ursprung beobachtet werden, was auf die Aliphazität von HAs, als dominierende Größe in der NP111-Sorption hinweist. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Schicksal von Nonylphenolen in Böden und Sedimenten nicht nur von der Konzentration, sondern auch von der Zusammensetzung der HA abhängt. Die Sorptionsisothermen von PFOA an MWCNTs konnten durch die Freundlich- und Langmuir-Modelle beschrieben werden. MWCNTs mit Metallkatalysatorresten an der äußeren Oberfläche hatten eine größere Adsorptionsaffinität bzw. –kapazität für PFOA als MWCNTs ohne Katalysatorreste. Die Ad- und Desorption von PFOA an MWCNTs war reversibel. Die thermodynamischen Daten deuteten darauf hin, dass die Sorption von PFOA an MWCNTs als Physisorption klassifiziert werden kann. Der Sorptionsmechanismus wird sowohl von hydrophoben als auch elektrostatischen Wechselwirkungen gesteuert. Im Allgemeinen nahm die PFOA Adsorption mit zunehmender Salzkonzentration und pH-Wert ab. Ca2+, als zweiwertiges Kation, verstärkte die Adsorption im Vergleich zum einwertigen Na+. Das Entfernen des Katalysators von der äußeren Oberfläche des MWCNT verringerte die Adsorptionskapazität deutlich. Dies kann durch die Abwesenheit der elektrostatischen Wechselwirkungen erklärt werden. Diese Ergebnisse zeigen daher, dass eine Oberflächenmodifizierung von MWCNTs, die zu positiven Ladungen führt, eine vielversprechender Weg sein kann, um die Sorptionskapazität von MWCNTs für PFOA zu erhöhen. Die Sorptionsisothermen von NP111 an MWCNTs konnten durch ein lineares Modell (Henry-Modell) beschrieben werden. Im Vergleich zu PFOA zeigte das NP111 eine um zwei Größenordnungen größere Sorptionskapazität. Die Differenz wird durch die unterschiedlichen Adsorptionsmechanismen verursacht: hydrophobe und π-π Wechselwirkungen spielen eine wichtige Rolle für die NP111-Sorption an MWCNTs.

As metabolites of organic surfactants, both nonylphenol (NP) and perfluorooctanoic acid (PFOA) are toxic and ubiquitous in the environment. Their sorption on soils and sediments is of importance for their fate and transport in the environment. Especially in China, there is still a lack of consolidated knowledge on the sorption behavior of NP and PFOA on geosorbents such as Yangtze River sediments. Thus, the present thesis investigates the sorption of a branched NP isomer [4-(1-ethyl-1, 3-dimethylpentyl) phenol] (NP111) and PFOA on Yangtze River sediments and their model components, i.e. a clay mineral (illite), metal oxides (goethite and delta-Al2O3) and organic matter (isolated from Yangtze River sediments and commercial organic matter) by both batch and dialysis techniques. NP111 is the most environmentally relevant NP isomer and its fate in the environment is unknown. Because PFOA is weakly adsorbed on geosorbents, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were studied as promising adsorbents. One of the MWCNTs studied contained traces of metal catalyst on the outer surface.

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