Dr. Chicgoua Noubactep

30 mai 2011 admin Master & PhD Theses

On February 16th, 2011, Dr. Chicgoua Noubactep defended his Habilitation Thesis, at the University of Göttingen (Germany). His research was on «Metallic iron for safe drinking water production». (available in English and German)

Abstract

Scientific progress is in normally a permanent accumulation of experimental observations and data. However, pure accumulation is of limited value. A profound look behind the data is necessary to recognize relations between apparently remote observations and express these relations in universally valid concepts and models. Usually, such concepts are cornerstones for further scientific progress.

Based on the above premise and the experimental evidence that metallic iron (Fe0) do remove more substances or substance classes from aqueous solutions than could be predicted for a reducing agent (Fe0), the objective of the present work was to critically review the literature on “water treatment with Fe0” and discuss the consequences for the further development of the technology of “using Fe0 for water treatment”.

The first observation was that the approach to investigate processes in Fe0/H2O systems has been more pragmatic than systematic. In fact, iron walls have first been reported to effectively degrade solvents in groundwater. Subsequently, the ability of Fe0 to treat other contaminants has been evaluated on a case-by-case basis. Quantitative removal of non-reducible species, oxidable species and species without redox properties has been reported as well. Therefore, the concept considering Fe0 as a reducing agent has been questioned and proven inconsistent. A new concept has been introduced and validated which considers adsorption (and adsorptive size exclusion in column studies), and co-precipitation as fundamental contaminant removal mechanisms. Because removed contaminants are enmeshed in the matrix of transforming iron corrosion products, they are necessarily long-term stable under experimental conditions. Thus, Fe0 is a universal material for water treatment and in particular for safe drinking water production.

Next to the profound understanding of the mechanism of contaminant removal in packed Fe0 beds, the volumetric expansive nature of iron oxidative dissolution at pH > 4.5 was properly considered. The result was the suggestion of Fe0 volumetric proportions between 30 and 60 % for safe drinking water production at household level. Ideally, Fe0 is mixed with porous inert materials which sustain the reactivity of Fe0 by storing in-situ generated iron hydroxides.

The efficiency of a Fe0 bed mostly depends on: (i) the intrinsic reactivity of used Fe0, (ii) the thickness of the bed, and the water flow rate (or the residence time within the bed). Future experimental works should be focused on characterizing the intrinsic reactivity of potential affordable materials. It can be emphasized that Fe0 beds will allow for the provision of household and remote small communities with safe drinking water.

Zusammenfassung

Die generelle Eignung von Eisenwerkstoffen (Fe0) zur Schadstoffentfernung aus der wässrigen Phase wurde konzeptionell nachgewiesen. Das Arbeitziel bestand darin, sich widersprechende Beobachtungen und Ergebnisse aus 15 Jahren Forschung zum Thema „Wasserbehandlung mit metallischem Eisen“ kritisch zu betrachten. Aus dieser kritischen Betrachtung sollten Beziehungen zwischen scheinbar zusammenhanglosen Erscheinungen erkennt werden. Diese Beziehungen sollten dann in ein einfaches allgemeingültiges Konzept ausgedrückt werden. Das entstandene Konzept sollte die Grundlage für weitere Fortschritte sein.

Ausgehend von der Feststellung, dass sowohl reduzierbare und oxidierbare wässrige Verbindungen, als auch Verbindungen ohne Redox-Eigenschaften quantitativ durch Anwesenheit von Fe0entfernt werden, besagt das in dieser Arbeit entwickelte Konzept, dass keine chemische Umwandlung (Oxidation oder Reduktion) der Grundvorgang für die Schadstoffentfernung sein kann. Folglich werden Schadstoffe hauptsächlich durch Adsorption und Mitfällung aus der wässrigen Phase entfernt. Da die entfernten Schadstoffe in der Masse der Eisenkorrosionsprodukte eingekapselt werden dürften, sind sie langzeitstabil, unabhängig davon, ob sie chemisch umgewandelt wurden oder nicht. In Festbetten kommt einen adsorptiven Größenausschluss („adsorptive size exclusion“) als Rückhaltmechanismus hinzu. Somit ist Fe0 ein Universalmaterial für die Wasserbehandlung: Trinkwasseraufbereitung, Abwasserbehandlung und Grundwassersanierung.

Als Ergebnis wird Fe0-Festbett für Wasserbehandlung empfohlen. Fe0-Festbett sollen zwischen 30 und 60 % Volumenanteil Fe0 enthalten. Sand und poröse Materialien werden als Füllmaterialien vorgeschlagen, um eine Langzeitreaktivität zu gewährleisten. Da der Gesamtvorgang der Eisenkorrosion für die Schadstoffentfernung sorgt, ist die Fließgeschwindigkeit des Wassers in Fe0-Festbett und die Bettstärke gezielt zu bestimmen. Zukünftige praktische Arbeiten müssen sich der Charakterisierung der Fe0-Materialien widmen. Fe0-Festbette eignen sich insbesondere für Wasserversorgung von kleinen Gemeinden oder einzelne Haushalte./.

Top 100 African Universities Candidate: Mr. Jacques BASSOCK