Grondwatervervuiling ontstaat wanneer schadelijke stoffen in aquifers terechtkomen, waardoor de fysische, chemische en biologische eigenschappen van het water veranderen. Hoewel natuurlijke processen zoals mineralendissolutie en de aanwezigheid van arseen of hoge zoutgehaltes een rol kunnen spelen, is vrijwel alle ernstige vervuiling het directe gevolg van menselijke activiteiten. Deze antropogene vervuilingsbronnen kunnen in drie hoofdgroepen worden onderverdeeld: industrieel, agrarisch en residentieel/municipaal.

De industrialisering van veel landen ging gepaard met systematische afvoer van afvalstoffen in de bodem. Mijnbouw, productie, opslag en distributie van materialen genereren afval in elk stadium. De nalatigheid bij de verwerking van deze afvalstromen vormt een fundamentele oorzaak van verontreiniging. Lekkages, lozingen van mijnwater en uitspoeling van stortplaatsen zijn routes waardoor zware metalen, radionucliden en andere persistent giftige stoffen in het grondwater kunnen migreren. Het toenemende gebruik van hydraulisch fracken in onder meer de Verenigde Staten heeft geleid tot bezorgdheid over de verplaatsing van chemicaliën via breekvloeistoffen, die organische oplosmiddelen, polymeren, smeermiddelen en biociden bevatten. Zelfs wanneer deze vloeistoffen de bodem niet rechtstreeks binnendringen, kunnen ze mobiliserend werken op andere verontreinigingen zoals zware metalen en colloïdale stoffen.

Niet alleen de industriële sector draagt bij aan het probleem. De landbouw is verantwoordelijk voor een aanzienlijke diffuse belasting van het grondwater door het gebruik van kunstmest, pesticiden en herbiciden. Deze stoffen infiltreren via het bodemprofiel in de ondiepe grondwatervoerende lagen, met name tijdens regenval of irrigatie. Biosolids en dierlijke meststoffen dragen bovendien bij aan microbiële belasting van het grondwater met pathogene organismen, waardoor naast chemische ook biologische verontreiniging optreedt.

De residentiële en gemeentelijke invloed is evenmin te onderschatten. Huisvuil en huishoudchemicaliën, waaronder moeilijk afbreekbare stoffen zoals zware metalen of synthetische nanodeeltjes, bereiken via stortplaatsen het grondwater. In landelijke gebieden zijn septische tanks een veelgebruikte oplossing voor rioolwater, maar deze systemen zijn vaak onvoldoende om persistente of opkomende contaminanten te verwijderen. In verstedelijkte gebieden draagt regenwaterafstroming bij aan het transport van verontreinigende stoffen naar infiltratiezones van het grondwater.

De lijst van verontreinigende stoffen is divers. De meest voorkomende zijn anorganische nutriënten, zware metalen en vluchtige organische stoffen. Van bijzonder belang zijn de zogeheten NAPLs – niet-in-water-oplosbare vloeistoffen – die zich ophopen in de onverzadigde zone of in de aquifer zelf. Deze stoffen, waaronder gechloreerde oplosmiddelen en aardolieproducten, blijven langdurig aanwezig en kunnen gedurende tientallen jaren andere verontreinigingen beïnvloeden door hun chemische interacties.

Naast de klassieke vervuilers hebben recent onderzoek en monitoring geleid tot het identificeren van opkomende verontreinigende stoffen. Dit betreft onder meer farmaceutische residuen, cosmetische producten, PFAS (per- en polyfluoralkylstoffen), microplastics en synthetische nanodeeltjes. De persistentie en mobiliteit van deze stoffen, in combinatie met hun lage detecteerbaarheid en het gebrek aan regelgeving, maken ze bijzonder problematisch. Ze zijn afkomstig uit zowel huishoudelijk als agrarisch gebruik, en dringen via uiteenlopende routes – waaronder uitspoeling, infiltratie en emissie – het grondwatersysteem binnen.

Het is van cruciaal belang te beseffen dat grondwatervervuiling vaak niet direct zichtbaar of merkbaar is. Door de trage stroming en lange verblijftijd van grondwater kunnen verontreinigingen zich jarenlang ophopen voordat ze worden opgemerkt, terwijl herstelprocessen extreem traag verlopen. Bovendien maakt de heterogeniteit van bodemlagen het gedrag van verontreinigende stoffen onvoorspelbaar. Preventie en vroegtijdige detectie zijn daarom de enige effectieve strategieën om grootschalige schade te voorkomen.

Het begrijpen van de mechanismen achter grondwaterverontreiniging vereist een multidisciplinaire benadering waarin geochemie, hydrologie, milieutechniek en regelgeving samenkomen. Alleen dan kunnen we zinvolle oplossingen formuleren voor de bescherming van een van de meest cruciale, maar vaak over het hoofd geziene, bronnen van schoon water.

Wat is adsorptie en waarom is het essentieel voor waterzuivering?

Adsorptie is een fundamenteel proces waarbij een stof, het adsorbaat, zich hecht aan het oppervlak van een ander materiaal, het adsorbens. Dit fenomeen speelt zich voornamelijk aan het oppervlak af, in tegenstelling tot absorptie, waarbij het adsorbaat de bulkfase van het materiaal binnendringt. In natuurlijke systemen komen beide processen voor, maar in de technologie voor waterzuivering is adsorptie veelal dominant vanwege de effectiviteit en veelzijdigheid ervan. Het belang van adsorptie wordt duidelijk wanneer men kijkt naar de geschiedenis: al in de oudheid gebruikten mensen houtskool en as om toxische stoffen uit het lichaam te verwijderen, zonder de onderliggende mechanismen te kennen. Pas met de opkomst van moderne wetenschap en instrumentatie werd het proces systematisch onderzocht en begrepen.

De eerste nauwkeurige metingen van adsorptie dateren uit de 18e eeuw, bijvoorbeeld het werk van Carl Scheele met actieve koolstof. Later volgden geavanceerdere methodes, zoals de volumetrische gasadsorptiemeting van Brunauer, Emmett en Teller, die nu standaard is om het oppervlak en de poriënstructuur van adsorbenten te karakteriseren. Deze ontwikkelingen maakten het mogelijk om de adsorptieprocessen precies te kwantificeren en zo materialen te optimaliseren voor toepassingen zoals waterzuivering.

In de context van waterbehandeling speelt actieve kool een sleutelrol. Sinds het begin van de 20e eeuw wordt het gebruikt om verontreinigingen, vooral organische stoffen en bijproducten van desinfectie, uit water te verwijderen. Andere materialen zoals zeolieten, ionenwisselaars en biochar hebben ook hun plaats veroverd in moderne waterzuiveringssystemen. Deze adsorbenten maken gebruik van de unieke eigenschappen van hun oppervlakken om uiteenlopende verontreinigingen efficiënt te binden en zo water schoon te maken.

Het adsorptieproces zelf wordt bepaald door interacties tussen de moleculen van het adsorbaat en de atomen aan het oppervlak van het adsorbens. Omdat atomen aan het oppervlak niet volledig omringd zijn door andere atomen, is het oppervlak energetisch onstabiel en dus reactief. Afhankelijk van de aard en sterkte van de binding onderscheidt men twee hoofdtypen adsorptie: fysische adsorptie (physisorptie) en chemische adsorptie (chemisorptie). Physisorptie wordt veroorzaakt door zwakke Van der Waals-krachten en is omkeerbaar, terwijl chemisorptie sterke chemische bindingen betreft en doorgaans irreversibel is.

In waterzuivering is de grens tussen fysische en chemische adsorptie echter minder scherp. Hier is het adsorptieproces het resultaat van een complexe wisselwerking tussen watermoleculen, het adsorbaat en het adsorbens. Vaak liggen de interacties tussen deze componenten ergens tussen de zwakkere fysische en de sterkere chemische bindingen in. Daarom wordt adsorptie in waterbehandeling vaak als een fysicochemisch proces beschouwd, waarbij meerdere mechanismen zoals elektrostatistische aantrekking, ionenuitwisseling en oppervlaktecomplexatie een rol spelen.

Naast de theoretische onderbouwing is het essentieel te beseffen dat de effectiviteit van adsorptie sterk afhankelijk is van de eigenschappen van het adsorbens: de specifieke oppervlakte, de poriënstructuur en de chemische samenstelling. De ontwikkeling en toepassing van nanopartikels als adsorbenten bieden nieuwe mogelijkheden vanwege hun hoge specifieke oppervlakte en unieke interactie-eigenschappen.

Belangrijk is ook te begrijpen dat de aanwezigheid van water een cruciale invloed heeft op de adsorptieprocessen. Watermoleculen kunnen de binding van het adsorbaat aan het adsorbens beïnvloeden door competitie en door de stabilisatie van bepaalde bindingen. Hierdoor zijn de adsorptiemodellen voor gassen niet altijd direct toepasbaar op waterige systemen, hoewel ze wel een goede basis bieden.

Verder moeten lezers beseffen dat adsorptie slechts één stap is in de complexe keten van waterzuivering. De integratie van adsorptietechnologie met andere methoden zoals filtratie, oxidatie en biologische zuivering is cruciaal voor het behalen van veilige en efficiënte resultaten. Het voortdurende onderzoek naar nieuwe adsorbentiematerialen, waaronder nanomaterialen, zal blijven bijdragen aan de optimalisatie van waterzuiveringsprocessen en het aanpakken van nieuwe verontreinigingen.

Hoe worden nanodeeltjes in water gekarakteriseerd: Methoden en technieken

Er zijn verschillende technieken beschikbaar voor de karakterisatie van nanodeeltjes, vooral in waterige omgevingen. In dit hoofdstuk worden enkele van de belangrijkste methoden besproken die het mogelijk maken om de eigenschappen van nanodeeltjes met grote precisie te analyseren. Deze technieken spelen een cruciale rol in de wetenschappelijke vooruitgang op het gebied van nanotechnologie en milieukundig onderzoek.

Een van de meest gebruikte methoden is de Scanning Electron Microscope (SEM), die elektronenbundels gebruikt om het oppervlak van een monster te scannen. De elektroneninteracties met de oppervlakteatomen van het monster veroorzaken signalen die kunnen worden omgezet in beelden met een hoge resolutie, tot op nanometerschaal. SEM biedt het voordeel dat de vergrotingsgraad gemakkelijk te regelen is, zodat zelfs zeer dicht opeengepakte nanodeeltjes met een veel hogere vergroting kunnen worden bekeken dan met optische microscopen. Omdat de SEM gebruik maakt van elektromagneten in plaats van lenzen, heeft het een aanzienlijk grotere diepte van het veld, wat het mogelijk maakt om meerdere monsters tegelijk scherp te stellen. Dit maakt de SEM een van de populairste gereedschappen voor nanotechnologieën. Om echter non-conductieve monsters te analyseren, moeten ze vaak worden voorbereid door een dunne metalen laag aan te brengen, zoals goud, om hun elektrische geleidbaarheid te verbeteren. Bij een lage energie SEM is het echter mogelijk om zelfs niet-geleidende monsters zonder metalen coating te visualiseren.

Transmission Electron Microscopy (TEM) is een andere veelgebruikte techniek die in 1931 voor het eerst werd gedemonstreerd door Max Knoll en Ernst Ruska, die later de Nobelprijs voor de Natuurkunde ontvingen voor hun uitvinding. In tegenstelling tot SEM, waarbij elektronen het monsteroppervlak scannen, worden bij TEM de elektronen door het monster heen gestuurd. Dit maakt het mogelijk om gedetailleerde beelden van de interne structuur van een monster te verkrijgen, wat essentieel is voor nanowetenschappelijk onderzoek. Omdat de elektronen door het monster bewegen, kunnen beelden worden verkregen die niet alleen de locatie van atomen tonen, maar ook informatie over de soort atomen en de manier waarop ze aan elkaar gebonden zijn. TEM vereist vaak dat monsters extreem dun zijn, minder dan 100 nm, zodat de elektronen erdoor kunnen dringen. Deze techniek biedt een uitzonderlijke resolutie en is onmisbaar voor veel onderzoeken in de nanosciences, inclusief het analyseren van milieuvriendelijk materiaal.

Scanning Tunneling Microscopy (STM), uitgevonden in 1981, is een techniek die gebaseerd is op het kwantummechanische tunnelingeffect. Het biedt een resolutie van minder dan 0,1 nm (1 Å) en maakt het mogelijk om op atomair niveau beelden van het oppervlak te verkrijgen. De techniek is vooral krachtig voor het verkennen van de dichtheid van toestanden van geleidende en halfgeleidende oppervlakken. STM kan de posities van individuele atomen op een oppervlak in kaart brengen, wat cruciaal is voor het bestuderen van de elektronische eigenschappen van materialen. Een beperking van STM is dat het alleen gebruikt kan worden op geleiders of halfgeleiders, wat de toepasbaarheid in bepaalde gevallen beperkt.

Atomic Force Microscopy (AFM) is een andere techniek die vaak wordt gebruikt om de topografie van monsters op atomair niveau te visualiseren. Net als STM gebruikt AFM een mechanische probe die interacteert met de interatomaire krachten op het oppervlak van het monster. AFM maakt gebruik van een lasersysteem om de beweging van de probe te meten, en kan daardoor niet alleen de morfologie van het monsteroppervlak vastleggen, maar ook intermoluculaire krachten onderzoeken. Dit maakt AFM breder toepasbaar dan STM, aangezien het kan worden gebruikt op vrijwel alle soorten materialen, inclusief polymeren, glas, keramiek en biologische monsters. Het is daarom een veelgebruikte techniek in nanowetenschap, vooral voor het karakteriseren van nanodeeltjes voor verschillende toepassingen, inclusief milieukundig onderzoek.

Naast microscopen worden ook andere elektromagnetische golven (EW) ingezet voor de karakterisatie van nanodeeltjes in waterige omgevingen. De elektromagnetische spectrum bevat verschillende typen golven, zoals radio, microgolven, infrarood, zichtbaar licht, ultraviolet, röntgenstraling, enz. Zichtbaar licht (380-700 nm) is slechts een klein deel van dit spectrum, maar er zijn ook andere, onzichtbare elektromagnetische golven zoals infrarood en röntgenstraling die krachtige hulpmiddelen zijn voor materiaalanalyse. Röntgenstraling wordt vaak gebruikt in instrumenten zoals Röntgen diffractie (XRD), Röntgen foto-elektronen spectroscopie (XPS), en Röntgen fluorescentie spectroscopie (XRF).

XRD is een niet-destructieve techniek die nuttig is voor het bepalen van de kristalstructuur en samenstelling van nanodeeltjes. Door gebruik te maken van de Scherrer-formule kan de deeltjesgrootte worden bepaald, aangezien de breedte van het diffractie-piek omgekeerd evenredig is met de grootte van de kristallen. XPS wordt vaak gebruikt om het chemische gedrag van nanodeeltjes op het oppervlak te analyseren, inclusief de dikte en samenstelling van de oppervlaktecoatings. Het spectraalaanbod van XPS kan worden gebruikt om atomische percentages en chemische toestanden te extraheren, wat van groot belang is voor het begrijpen van de oppervlakte-eigenschappen van nanodeeltjes.

Andere technieken zoals Kernspinresonantie (NMR), Raman spectroscopie en Fourier-transformatie infraroodspectroscopie (FTIR) worden eveneens vaak toegepast voor chemische analyse van nanodeeltjes. NMR biedt inzicht in de interne structuur van nanodeeltjes en hun oppervlaktecoatings. Raman spectroscopie verschaft informatie over de chemische structuur, fase, kristalliniteit en moleculaire symmetrie van de deeltjes. FTIR wordt meestal gebruikt om de chemische bindingen tussen nanodeeltjes en organische coatings te onderzoeken.

Dynamic Light Scattering (DLS) is een techniek die de intensiteit van lichtmetingen van een laser door een nanopartikelsuspensie meet om de hydrodynamische diameters van de deeltjes te bepalen. DLS maakt gebruik van de Stokes-Einstein vergelijking om de deeltjesgrootte te berekenen op basis van de snelheid van de Brownse beweging van de deeltjes. Electrophoretic Light Scattering (ELS) wordt gebruikt om de Zeta-potentiaal van nanodeeltjes in suspensie te meten, wat informatie geeft over de stabiliteit en de interacties tussen de deeltjes onder verschillende pH-omstandigheden.

Bij de keuze van een karakterisatietechniek is het belangrijk om te begrijpen dat elke techniek zijn eigen sterke en zwakke punten heeft. Het juiste instrument voor een bepaald onderzoek hangt af van de specifieke eigenschappen van de nanodeeltjes die men wil bestuderen, zoals grootte, samenstelling, elektrische geleidbaarheid en stabiliteit in waterige omgevingen. Het combineren van verschillende technieken kan vaak de meest complete en gedetailleerde informatie opleveren over de nanodeeltjes die bestudeerd worden.

Hoe beïnvloedt het type medium de transport en het gedrag van nanodeeltjes in de ondergrond?

Het transport van nanodeeltjes in de ondergrond is sterk afhankelijk van de eigenschappen van het poreuze medium, waaronder het type grond, de korrelgrootte, de temperatuur en de stroomsnelheid. De interacties tussen nanodeeltjes en het medium kunnen het gedrag van deze deeltjes in de bodem beïnvloeden, wat belangrijk is voor zowel milieu-impactstudies als voor toepassingen zoals bodemreiniging of de verspreiding van nanomaterialen in het milieu.

Er is aangetoond dat het type grond, met name de mineralogische samenstelling, de mobiliteit van nanodeeltjes aanzienlijk beïnvloedt. Gronden met een hoger kleigehalte kunnen bijvoorbeeld de mobiliteit van de deeltjes beperken door fysieke obstructie of straining, waarbij de deeltjes worden vastgehouden door de kleine poriën van de grond. Dit werd duidelijk in een studie van Fang et al. (2013a), waarin werd vastgesteld dat de mobiliteit van koolstofnanobuizen (CNT’s) lager was in bodems met een hoger kleigehalte. Kleinere poriën in kleigronden kunnen de deeltjes beter vasthouden en daardoor hun transport belemmeren. Dit effect is herhaaldelijk bevestigd in verschillende onderzoeken (Fang et al., 2009; Petosa et al., 2013; Lu et al., 2014).

Daarnaast blijkt uit onderzoek dat de bodemtemperatuur ook een belangrijke rol speelt in het transport van nanodeeltjes. Hogere temperaturen bevorderen de interactie tussen de nanodeeltjes en de bodemkorrels, waardoor de mobiliteit van de deeltjes afneemt. Wang et al. (2017) onderzochten de effecten van temperatuur op de retentie en het transport van grafeenoxide (GO) in waterverzadigde poreuze media en ontdekten dat hogere temperaturen de retentie van GO aanzienlijk verhoogden, vooral bij hogere elektrolytenconcentraties. Dit effect kan de manier waarop nanodeeltjes zich door de ondergrond bewegen sterk beïnvloeden.

De korrelgrootte van het poreuze medium is een andere cruciale factor die de mobiliteit van nanodeeltjes bepaalt. Grotere korrelgrootte betekent doorgaans een hogere mobiliteit van nanodeeltjes, aangezien grotere korrels minder hechtingspunten bieden voor de deeltjes. Dit resulteert in minder kans op het vast komen te zitten van de deeltjes. Omgekeerd kunnen kleinere korrels de deeltjes juist beter vasthouden door de kleinere poriën, waardoor straining optreedt en de deeltjes niet verder kunnen bewegen. Dit fenomeen werd bijvoorbeeld waargenomen door Chen et al. (2023), die ontdekten dat de transportcapaciteit van CMC-gemodificeerde nZVI-deeltjes afnam naarmate de korrelgrootte van het zand kleiner werd.

Naast de invloed van temperatuur, korrelgrootte en bodemtype, speelt ook de stromingssnelheid een belangrijke rol in het transport van nanodeeltjes. Advectief transport, waarbij deeltjes door de stroming van water worden meegevoerd, is het belangrijkste mechanisme voor nanopartikeltransport in poreuze media. Studies hebben aangetoond dat de mobiliteit van nanodeeltjes toeneemt met de stromingssnelheid. Bij hogere snelheden hebben de deeltjes meer kans om zich te verplaatsen, omdat deeltjes minder tijd hebben om te hechten aan het medium. Dit effect is goed gedocumenteerd door bijvoorbeeld Braun et al. (2015), die lieten zien dat de mobiliteit van zilvernanodeeltjes bij een hogere stromingssnelheid veel groter was dan bij een lagere snelheid.

Naast deze fysieke factoren zijn er ook chemische parameters die invloed hebben op het gedrag van nanodeeltjes in de ondergrond. De concentratie van elektrolyten in het bodemwater kan bijvoorbeeld de stabiliteit van nanodeeltjes beïnvloeden, wat leidt tot veranderingen in hun aggregatiegedrag en daarmee hun mobiliteit. Verhoogde concentraties van bepaalde zouten kunnen leiden tot een grotere aggregatie van nanodeeltjes, wat hun mobiliteit in de bodem verder kan beperken. Dit effect is bijvoorbeeld goed zichtbaar in studies die de invloed van verschillende ionconcentraties op de transport van nanodeeltjes onderzoeken.

Het is ook belangrijk te begrijpen dat de bodemsamenstelling, zoals het gehalte aan organisch materiaal of het zoutgehalte, de interactie van nanodeeltjes met de bodem kan beïnvloeden. Bodems met een hoog gehalte aan organisch materiaal kunnen bijvoorbeeld een grotere neiging hebben om nanodeeltjes te absorberen, wat hun mobiliteit verder kan beperken. In gebieden met hoge zoutconcentraties kunnen de deeltjes zich aggregaten vormen die zich moeilijker door de bodem kunnen bewegen.

Tot slot moet ook de rol van de porositeit van de bodem in overweging worden genomen. Gronden met een hoge porositeit kunnen grotere hoeveelheden water doorlaten en bieden vaak minder weerstand aan de verplaatsing van nanodeeltjes. Daarentegen kunnen bodems met lage porositeit, zoals kleigronden, deeltjes effectief vasthouden, waardoor hun transport door de ondergrond wordt verminderd.

De combinatie van al deze factoren maakt het noodzakelijk om de specifieke eigenschappen van het poreuze medium zorgvuldig te analyseren bij het bestuderen van de verspreiding van nanodeeltjes in de ondergrond. Dit geldt voor zowel experimentele onderzoeken als voor het gebruik van nanodeeltjes in milieutoepassingen, zoals bodemsanering of landbouwtoepassingen.

Hoe werkt de kennisinfrastructuur van een metacognitief agent?
Wat zijn de structurele veranderingen in kathodes van lithium-ionbatterijen tijdens elektrochemische processen?
Hoe kan machine learning bijdragen aan vroege detectie en gepersonaliseerde behandeling van door vectoren overgedragen ziekten?
Hoe beïnvloedt de transportmechanisme de prestaties van smeermiddelen op micro-gestructureerde gereedschappen?