Investigation of chemical remediation techniques for polycyclic aromatic compounds contaminated soil by high resolution mass spectrometry
The functionality of soil – as a part of the ecosystem – is extremely essential for the existence of life and environment. Therefore, concerns about the permanent inorganic and organic pollution of the soil have dramatically increased in the last few years. The substance class of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) plays a significant role as a contaminant since they exhibit high carcinogenic and toxic potential. Further use of these contaminated soils is hardly or not at all possible and therefore must undergo decontamination, which turns out to be very challenging. The complexity of soil, as an environmental medium, coupled with the presence of thousands of unknown pollutants complicates the identification of the relevant chemical and physical parameters for remediation.
The aim of this work was to establish chemical processes for the oxidation of high molecular weight PAHs, which are relatively insoluble in water due to higher number of aromatic rings, in order to enhance the microbial remediation of these compounds. Various oxidation techniques, like the Fenton reaction, ozonolysis and photooxidation, were applied to a highly contaminated soil and the obtained products were analyzed using ultrahigh resolution mass spectrometry (UHRMS). This analytical method facilitates a comprehensive characterization of various oxidized and non-oxidized compounds and a detailed understanding of the chemical reaction on a molecular level.
A key result of this work revealed that no significant degradation of high molecular weight PAHs was observed in chemical treatments using water as sole solvent. Therefore, the addition of a co-solvent was necessary to increase the availability of high molecular weight PAHs for chemical remediation. The addition of 5% v/v toluene as a co-solvent significantly improved the degradation of PAHs in Fenton reaction and ozonolysis by promoting the formation of highly oxidized hydrocarbons.
Die Funktionsfähigkeit des Bodens – als Bestandteil des Ökosystems – ist für die Existenz des Lebens und der Umwelt äußerst essenziell. Infolgedessen sind in den letzten Jahren die Bedenken über die permanente anorganische und organische Schadstoffbelastung des Bodens erheblich gestiegen. Der Substanzklasse der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAKs) kommt als Kontamination aufgrund ihres starken krebserregenden und toxischen Potenzials eine bedeutende Rolle zu. Die weitere Nutzung dieser verunreinigten Böden ist kaum oder gar nicht mehr möglich und müssen daher einer Dekontamination unterzogen werden, welches sich als sehr schwierig erweist. Deshalb wird die Bestimmung relevanter chemischer und physikalischer Parameter für die Sanierungsbehandlung durch die Komplexität des Umweltmediums Boden sowie die Existenz tausender unbekannter Schadstoffe erschwert.
Ziel dieser Arbeit war die Etablierung von chemischen Verfahren für die Oxidation von hochmolekularen PAKs, die aufgrund der höheren Anzahl an aromatischen Ringen eine schlechtere Wasserlöslichkeit aufweisen, um die mikrobiologische Sanierung dieser Verbindungen zu verbessern. Hierbei wurden verschiedene Oxidationsverfahren wie Fenton-Reaktion, Ozonolyse und Photooxidation auf einen hochgradig schadstoffbelasteten Boden angewandt und mittels ultrahochauflösender Massenspektrometrie (UHRMS) die erhaltenen Endprodukte untersucht. Diese Analysemethode ermöglicht eine umfassende Charakterisierung der verschiedenen oxidierten und nicht oxidierten Verbindungen und ein detailliertes Verständnis der chemischen Reaktion auf molekularer Ebene.
Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit zeigte, dass kein signifikanter Abbau von hochmolekularen PAKs in chemischen Sanierungsmethoden mit Wasser als einziges Lösungsmittel beobachtet werden konnte. Daher war der Einsatz eines Lösungsvermittlers notwendig, um die Verfügbarkeit von hochmolekularen PAKs für die chemische Sanierung zu erhöhen. Der Zusatz von 5 Vol% Toluol als Lösungsvermittler verbesserte in der Fenton-Reaktion und Ozonolyse erheblich den Abbau von PAKs durch Bildung von hochoxidierten Kohlenwasserstoffen.