Investigation on the behaviour of iron, manganese, and phosphate at the sediment/water interface influenced by an electric field

Abstract

This study presents laboratory experiments for the development of a new, innovative technology for the fixation of iron, manganese, and phosphate in sediments of stagnant waters. The method is intended for the use in lakes and reservoirs, in which high concentrations of iron and manganese in the hypolimnion lead e. g. to a limitation of utilization of raw water for the drinking water production. High phosphate contents released from the sediment can cause eutrophication. Due to the positioning of an electrode system at the sediment/water interface, a pH and redox barrier is established through electrochemical initiated reactions for the immobilization of iron, manganese, and phosphate. This reaction mechanisms are studied and discussed in a laboratory scale, based on investigations of the sediment, the pore and the overlying water. It is shown that in the process of the electrochemical polarization first iron and manganese are mobilized from the sediment through anodic proton formation. The dissolved species migrate in the electric field to the sediment/water interface with simultaneous oxidation through anodically produced oxygen (redox-barrier) and are hydrolyzed there. They are accumulated in the pH-barrier as hydroxides/oxyhydroxides/ oxides. Cathodically produced hydroxide ions, which migrate into the opposite direction, form a pH-barrier and prevent the migration of the dissolved iron and manganese ions into the overlying water. Eventually, these reaction processes will generate the accumulation of iron and manganese in sediment layer direct over the anode. After remediation of the sediment for a period of 3 years it was possible to demonstrate the transformation of amorphous ferric hydroxide phases (Fe(OH)3)to crystalline goethite (α-FeOOH) as well as hematite (α-Fe2O3). Parallel to the iron and manganese oxidation or precipitation respectively, phosphate from the interstitial, from the water, and from the layer close to the sediment is chemically bound to the iron or aluminium phases. Untersuchungen zum Verhalten von Eisen, Mangan und Phosphat an der Phasengrenzflache Sediment/Wasser unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes Im Beitrag werden Laborstudien zur Entwicklung eines neuen, innovativen Verfahrens der Fixierung von Eisen, Mangan und Phosphat im Sediment stehender Gewasser vorgestellt. Die Technologie ist fur den Einsatz in Gewassern vorgesehen, in denen hohe Eisen- und Mangankonzentrationen im Hypolimnion zu Nutzungseinschrankungen z. B. bei der Trinkwassergewinnung fuhren oder in denen Eutrophierungserscheinungen infolge erhohter Phosphatrucklosungen aus dem Sediment auftreten konnen. Durch die Positionierung eines Elektrodensystems an der Phasengrenze Sediment/Wasser wird infolge elektrochemisch initiierter Reaktionen eine Redox- und pH-Barriere zur Immobilisierung von Eisen, Mangan und Phosphat aufgebaut. Im Labormasstab werden diese Reaktionsmechanismen anhand von Untersuchungen des Sedimentes, des Interstitials und des freien Wasserkorpers studiert und diskutiert. Es wird gezeigt, dass im Verlauf der elektrochemischen Polarisation zunachst durch anodisch gebildete Protonen Eisen und Mangan im Sediment mobilisiert werden. Die gelosten Spezies migrieren im elektrischen Feld bei gleichzeitiger Oxidation durch anodisch erzeugten Sauerstoff (Redoxbarriere) an die Phasengrenze, werden dort hydrolysiert und in der pH-Barriere als Hydroxide/Oxidhydrate/Oxide festgelegt. Kathodisch erzeugte Hydroxidionen, die in entgegengesetzte Richtung migrieren, bilden an der Phasengrenze eine pH-Barriere gegen die Diffusion der gelosten Eisen- und Manganspezies in den freien Wasserkorper. Diese Reaktionsfolge fuhrt schlieslich zur Aufkonzentrierung von Eisen und Mangan in den uber der Anode liegenden, obersten Sedimenthorizonten. Nach einer dreijahrigen Behandlung des Sedimentes konnte die Transformation der zunachst amorphen Eisenhydroxidphase Fe(OH)3 zu kristallinen Strukturen, wie Goethit (α-FeOOH) und Hamatit (α-Fe2O3), nachgewiesen werden. Parallel zur Eisen- und Manganoxidation bzw.-fallung wird Phosphat aus dem Interstitial und der sedimentnahen Zone des freien Wasserkorpers an Eisen- bzw. Aluminiumphasen chemisch gebunden.