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NANOFLOW  – Mobility of synthetic nanoparticles in water-saturated and variably water-saturated subsoils

Within the NanoFlow project, laboratory and field tests were conducted investigating the transport behaviour of synthetic nanoparticles in solid rock and soils under water-saturated and water sub-saturated conditions. Special focus was on the behaviour of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) and stabilised silver nanoparticles (Ag-NPs).

The laboratory tests revealed that the mobility of the respective carbon nanotubes depends on their initial concentration and the soil grain size. The field tests with lysimeters showed that the MWCNTs are subject to a high retention in the upper soil horizon. All in all, the results of the environmentally relevant experiments (unsaturated flow, low initial concentration, undisturbed soil) suggest that soils are most effective sinks for carbon nanotubes. In view of this fact, only low MWCNT transport in the vadose zone and, hence, a low risk of groundwater contamination is to be expected in the investigated soils.

The results of the laboratory tests with stabilised silver nanoparticles (Ag-NPs) revealed that, under certain conditions, the nanoparticles show a high mobility and can reach transport ranges of several meters. This has been demonstrated in a model soil, in pure sandstone or in a soil with high sand contents in the presence of monovalent ions in the surrounding solution. Under other conditions e.g., in sandstones of a more complex mineralogical composition and with smaller pore sizes, in fine-grained soils with higher clay content, and at higher ion strengths or in the presence of bivalent ions in the soil solution, the transport of the silver nanoparticles was found to become strongly limited. If the ion strength is being reduced, as may be the case e.g. during heavy rain, or if the bivalent ions are replaced by monovalent ones, the silver nanoparticles can be released again from the soil. Such remobilisation of the silver nanoparticles is also caused by the release of soil colloids that act as Ag-NPs carriers (co-transport). Also in fissured sandstone, the tests have revealed a relatively high mobility of silver nanoparticles which partly is enabled also by co-transport of Ag-NPs on sandstone fragments.

Grant Number: Prof. Dr. Dr. hc Rafig Azzam, RWTH Aachen, Department of Engineering Geology and Hydrogeology
Duration: 01.10.2009 - 30.09.2012

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RWTH Aachen University, Department of Engineering Geology and Hydrogeology
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Forschungszentrum Juelich: Institute of Bio- and Geosciences: Agrosphere (IBG-3)

Publications

2013

  • Liang, Y., S. A. Bradford, J. Simunek, M. Heggen, H. Vereecken and E. Klumpp (2013). Retention and Remobilization of Stabilized Silver Nanoparticles in an Undisturbed Loamy Sand Soil. Environ Sci Technol 47(21): 12229-12237.
  • Liang, Y., S. A. Bradford, J. Simunek, H. Vereecken and E. Klumpp (2013). Sensitivity of the transport and retention of stabilized silver nanoparticles to physicochemical factors. Water Res 47(7): 2572-2582.
  • Kasel, D., S. A. Bradford, J. Simunek, M. Heggen, H. Vereecken and E. Klumpp (2013). Transport and retention of multi-walled carbon nanotubes in saturated porous media: effects of input concentration and grain size. Water Res 47(2): 933-944.
  • Kasel, D., S. A. Bradford, J. Simunek, T. Putz, H. Vereecken and E. Klumpp (2013). Limited transport of functionalized multi-walled carbon nanotubes in two natural soils. Environ Pollut 180(0): 152-158.

2010

  • Neukum C., Klumpp E., Pütz T., Azzam R. (2010). NANOFLOW: Mobilität synthetischer Nanopartikel im Untergrund – Projektvorstellung. In: Schriftenreihe der Deutschen Gesellschaft für Geowissenschaften 67,151.

Alle verfügbaren Abschlussberichte des NanoFLOW Konsortiums finden Sie auf den Seiten der TIB Hannover https://www.tib.eu/de/  
  • Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie (LIH), RWTH Aachen (2012). Mobilität synthetischer Nanopartikel im wassergesättigten und variabel wassergesättigten Untergrund : Abschlussbericht des BMBF-Projektes NANOFLOW ; NanoNature: Nanotechnologien für den Umweltschutz - Nutzen und Auswirkungen im Rahmenprogramm „Werkstoffinovationen für Industrie und Gesellschaft - WING ; von Oktober 2009 bis September 2012; Neukum C., Braun A., Azzam R.; Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie (LIH), RWTH Aachen; FKZ 03X0077A; TIB Hannover; DOI:10.2314/GBV:778419568. (PDF, 5 MB )
  • Postnova Analytics GmbH (2012). Mobilität synthetischer Nanopartikel im wassergesättigten und variabel wassergesättigten Untergrund : Abschlussbericht des BMBF-Projektes: NANOFLOW ; NanoNature: Nanotechnologien für den Umweltschutz - Nutzen und Auswirkungen im Rahmenprogramm „Werkstoffinovationen für Industrie und Gesellschaft – WING; Postnova Analytics; FKZ 03X0077B; TIB Hannover; DOI:10.2314/GBV:778584976.
  • Institut für Bio- und Geowissenschaften, Jülich (2012). Nanoflow : Mobilität synthetischer Nanopartikel im wassergesättigten und variabel wassergesättigten Untergrund ; Abschlussbericht des BMBF-Projektes ; Werkstoffprogramm WING; Institut für Bio- und Geowissenschaften, Jülich; FKZ 03X0077C; TIB Hannover; DOI:10.2314/GBV:77829367X.

2013

  • Liang, Y., Bradford, S. A., Simunek, J., Vereecken, H., Klumpp, E. (2013). Transport and Retention of Stabilized Silver Nanoparticles in Water-Saturated Porous Media. European Geosciences Union 2013, HS8.1.6., 07.-12.04.2013, Wien, Österreich. [Vortrag]
  • Neukum, C., Klumpp, E., Klein, T. (2013). Mobilität synthetischer Nanopartikel im wassergesättigten und variabel gesättigten Untergrund. 3. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 14.-15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [Vortrag]
  • Braun, A., Neukum, C., Azzam, R. (2013). Transportmechanismen von Silbernanopartikeln in wassergesättigten natürlichen Böden. 3. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 14.-15. Januar 2013, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]

2012

  • Kasel, D., Bradford, S. A., Šimůnek, J., Heggen, M., Vereecken, H., Klumpp, E. (2012) Transport and Deposition of Multi-walled Carbon Nanotubes in Saturated Porous Media. American Geophysical Union's 45th annual Fall Meeting, San Francisco, USA, 03-07.12.2012, San Francisco, USA. [Vortrag]
  • Braun, A., Neukum, C., Azzam, R. (2012). Transport of engineered silver nanoparticles through saturated porous media. 6th Environmental Symposium of German-Arab Scientific Forum for Environmental Studies, 01.-02.10.2012, Aachen, Deutschland. [Vortrag]
  • Liang, Y., Bradford, S. A., Šimůnek, J., Klumpp, E. (2012). Transport and deposition of silver nanoparticles in (model) soils and sediments. Processes in the Yangtze River System, Progress and Exchange in the Sino-German Yangtze-Project,10th Anniversary of Sino-German Cooperation, 22-23.09.2012, Shanghai, China. [Vortrag]
  • Neukum, C., Braun, A., Azzam, R. (2012). Transport of engineered Ag nanoparticles through water saturated porous media. 39th IAH Congress, 16.-21.09. 2012, Niagara Falls, Canada. [Vortrag]
  • Braun, A. (2012). Mobilität von Ag und TiO2 Nanopartikeln in wassergesättigtem Boden. Seminar am Lehrstuhl für Ingenieurgeologie und Hydrogeologie, RWTH Aachen, 14.06.2012, Aachen, Deutschland. [Vortrag]
  • Klumpp, E., Kasel, D., Liang, Y., Bradford, S. A., Šimůnek, J., Heggen, M., Vereecken, H. (2012). Transport and Deposition of Nanoparticles in (Model) Soils. Interfaces against Pollution, 11-14.06.2012, Nancy, Frankreich. [Vortrag]
  • Neukum, C., Braun, A., Azzam, R. (2012). Transport von synthetischen Ag-Nanopartikel durch Sandstein. Tagung der FH DGG, 16.-20. Mai 2012, Dresden, Deutschland. [Vortrag]
  • Braun, A., Neukum, C., Azzam, R. (2012). Analyse natürlicher und synthetischer Nanopartikel mit asymmetrischer Fluss-Feldflussfraktionierung (AF4). In: R. Liedl, D. Burghardt, E. Simon, Th. Reimann & R. Kaufmann-Knoke (Hrsg.): Grundwasserschutz und Grundwassernutzung, Tagung der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG (FH-DGG), 16.-20. Mai 2012, Dresden, Deutschland. [Poster]
  • Braun, A., Neukum, C., Azzam, R. (2012). Transport von Titandioxid- und Silbernanopartikeln in gesättigten Bodensäulen. 2. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 13.-14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Kasel, D., Vereecken, H., Klumpp, E. (2012). Transport and Deposition of Multi-walled Carbon Nanotubes in (Model) Soils. 2. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 13-14.03.2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Liang, Y., Kasteel, R., Heggen, M., Vereecken, H., Klumpp, E. (2012). Transport and Deposition of Stabilized Silver Nanoparticles in (Model) Soils. 2. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 13-14.03.2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Neukum, C., Braun, A., Klein, T., Jünger, R. (2012). Fluss-Feldflussfraktionierung – ein neuartiges verfahren zur Analyse von synthetischen Nanopartikeln in Bodeneluaten. 2. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 13.-14. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Braun, A. (2012). Transport von TiO2 - und Ag-Nanopartikeln in Bodensäulen. 3. Young Nano Treffen, 12. März 2012, Frankfurt/Main, Deutschland. [Vortrag]

2011

  • Braun, A., Neukum, C., Azzam, R. (2011). Modeling the transport of engineered nanoparticles in saturated porous media - an experimental setup. AGU Fall Meeting 2011, 05.-09.12.2011, San Francisco, USA. [Poster]
  • Braun, A., Neukum, C. (2011). Nanoflow: Mobility of engineered nanoparticles in saturated porous media - introduction to the project and first results. Chinese Academy of Sciences, 21.10.2011, Peking, China. [Vortrag]
  • Kasel, D., Philipp, H., Kasteel, R., Vereecken, H., Klumpp, E. (2011). Transport and Deposition of Multi-walled Carbon Nanotubes in Saturated Porous Media. EuCheMS International Conference on Chemistry and the Environment 2011, 11.-14.09.2011, Zürich, Schweiz. [Vortrag]
  • Liang, Y., Kasteel, R., Philipp, H., Heggen, M., Vereecken, H., Klumpp, E. (2011). Transport and deposition of stabilized silver nanoparticles in saturated porous media. EuCheMS International Conference on Chemistry and the Environment 2011, 11.-14.09.2011, Zürich, Schweiz. [Poster]
  • Kasel, D., Schierenberg, W., Philipp, H., Heggen, M., Kasteel, R., Vereecken, H., Klumpp, E. (2011). Transport of Multi-walled Carbon Nanotubes in Saturated Porous Media. Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, 03.-09.09.2011, Berlin, Deutschland. [Poster]
  • Liang, Y., Kasteel, R., Philipp, H., Heggen, M., Vereecken, H., Klumpp, E. (2011). Mobility of stabilized silver nanoparticles in saturated porous media. Jahrestagung der Deutschen Bodenkundlichen Gesellschaft, 03.-09.09.2011, Berlin, Deutschland. [Poster]
  • Neukum, C., Klumpp, E., Klein, T. (2011). Nanoflow: Mobilität synthetischer Nanopartikel in porösen Medien. 1.Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 10.-11. Mai 2011, Frankfurt/Main, Deutschland. [Vortrag]
  • Braun, A., Neukum, C., Azzam, R. (2011). Untersuchung des Transportverhaltens synthetischer Nanopartikel in Säulenversuchen gekoppelt an Fluss-Feldflussfraktionierung -Methodenentwicklung am Beispiel TiO2. 1.Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 10.-11. Mai 2011, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Liang, Y., Kasel, D., Heggen, M., Vereecken, H., Klumpp, E. (2011). Transport of carbon nanotubes and silver nanoparticles in saturated porous media. 1. Clustertreffen der BMBF-Fördermaßnahmen NanoCare und NanoNature, 10.-11.05.2011, Frankfurt/Main, Deutschland. [Poster]
  • Neukum, C., Braun, A., Azzam, R. (2011). Untersuchung der Mobilität synthetischer Nanopartikel in wassergesättigten und variabel wassergesättigten porösen Medien. 18. Tagung für Ingenieurgeologie, 16.-19. März 2011, Berlin, Deutschland. [Vortrag]

2010

  • Braun, A., Neukum, C. (2010). Nanoflow - Mobilität synthetischer Nanopartikel im Grundwasser. 1. Young Nano Treffen, 8. Oktober 2010, Stuttgart, Deutschland. [Vortrag]
  • Neukum, C., Klumpp, E., Puetz, T., Klein, T., Azzam, R. (2010). NANOFLOW: Mobilität synthetischer Nanopartikel im Untergrund – Projektvorstellung. In: C. Levin, P. Grathwohl, R. Kaufmann-Knoke & H. Ruegner (Hrsg.): Grundwasser für die Zukunft, Tagung der Fachsektion Hydrogeologie in der DGG (FH-DGG), 12.-16. Mai 2010, Tübingen, Deutschland. [Poster]
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