Byong-Hun, Jeon

Fredrickson, James K.

Heald, Steve M.

Liu, Chongxuan

Majors, Paul D.

McKinley, James P.

Wang, Zheming

Zachara, John M.

UNT Digital Library

Influence of Mass Transfer on U(VI) Microbial Reduction Chongxuan Liu 1 , Zheming Wang 1 , John M. Zachara 1 , James K. Fredrickson 1 , Byong­Hun Jeon 1,2 , Paul D. Majors 1 , James P. McKinley 1 , and Steve M. Heald 1,3 1 Pacific Northwest National Laboratory DOE Environmental Remediation Sciences Division 2006 Meeting 3 Argonne National Laboratory 2 Yonsei University, Korea2 Uranium Physical Location in Contaminated Sediments Hanford 200 Area Sediments  Hanford 300 Area Sediments Ø  At Hanford site, sorbed U exists as U(VI) with complex speciation, physical location, and mineral association. Ø  Sorbed U is commonly associated with intragrain regions. U(VI)­ silicate precipitates in granitic lithic fragment U(VI) in secondary materials3 Conceptual Model Dissolution Diffusive Mass Transfer e ­ donor U(VI) U(IV) Porewater/Groundwater Microbial Activity4 Characterization of Intragrain Diffusion Ø  Tortuosity factor (D p /D H2O ): 0.66        fast region 0.006      slow region A 1 H nuclear magnetic resonance, pulse­field gradient spin echo (NMR­PGSE) approach was developed to measure intragrain diffusion properties using H 2 O as a tracer. Diffusion time interval Dt (ms) 1  10  100  1000 Apparent Diffusivity (mm 2  /s) 10 ­6 10 ­5 10 ­4 10 ­3 10 ­2 high diffusivity low diffusivity H 2 O diffusivity in granitic lithic fragment NMR image of H 2 O distribution Slice image 2 mm Projection image5 Models of Ion Diffusion Coefficients Coupled electrodynamics­nonequilibrium thermodynamics (EDNT) model:  D i p = f(t, r c , D j p , C j ) r c : surface charge density, D j p and C j : diffusivity and concentration of ion j, respectively. Geometrical model:  D i p = t D i w D i p : pore diffusivity, t: tortuosity; D i w : diffusivity in water, + ++ + + ­ ­ + + + + ­ Distance + + + + + +  ­ ­ + + ­ Restricted ions in double layers Concentration  Non­restricted ion diffusion domain  Cation Anion Schematic ion diffusion regions KCl or NaCl Concentration (M) 0.001  0.01  0.1  1 Diffusivity (x 10 ­6 cm 2  /s) 0.1 1 10 KCl, Malusis&Shackelford, 2002 ES&T NaCl, Lake&Rowe, 2000, Geotext. Geomembr KCl  NaCl Geometrical model EDNT model Ion diffusivity in clay matrix q = 0.7 ­ 0.86 Microbial Reduction of Intragrain U(VI)    Coupling of Biogeochemical Processes: Synthetic System Dissolved U(VI) Alginate beads with synthetic Na­boltwoodite Cell + Dissolution/ diffusion Bioreduction Time (day) 0  10  20  30  40 Dissolved U(VI) (mg/L) 0 200 400 600 800 1000 Cell spike (MR­1) i e ( a ) 0  10  20  30  40 Dissolved U(VI) (mg/L) 0 200 400 600 800 1000 Cell spike ( R­1) 5x10 8 cells/mL 2x10 8 cells/mL S. Oneidensis MR­1 R = 1 mm7 Intrabead U(VI) speciation and Distribution  100 mm 100 mm A 12x10 6 10 8 6 4 2 0 Relative Intensity (a.u.) 600 550 500 Wavelength (nm) Delay Time (ms) < 1 200 400 600 1000 < 1 a b c d e f  B LIFS spectra  LIFS image Ø  No change of intrabead U(VI) speciation; Ø  U(VI) dissolved/diffused starting from bead edge to center.8 U(IV) Precipitation on Bacterial Surface Time = 2 days  Time = 7 days  Time = 100 days Ø  U(IV) accumulation on bacterial surfaces and periplasm 0.2 mm9 Modeling Coupled Biogeochemical Processes Time (day) 0  10  20  30  40 Dissolved U(VI) (mg/L) 0 200 400 600 800 1000 Data, 0.0     cells/mL Data, 1x10 8 cells/mL Data, 2x10 8 cells/mL Data, 4x10 8 cells/mL Data, 5x10 8 cells/mL Model, 0.0     cells/mL Model, 1x10 8 cells/mL Model, 2x10 8 cells/mL Model, 4x10 8 cells/mL Model, 5x10 8 cells/mL Cell spike Intragrain dissolution +  Intragrain diffusion +  Extragrain bioreduction10 10 8 6 4 2 0 Relative Intensity 600 580 560 540 520 500 480 460 Wavelength (nm) Synthetic system Sediment system UO 2 (CO 3 ) 3 4­ reference Ca 2 UO 2 (CO 3 ) 3 reference Microbial Reduction of Hanford Intragrain U(VI) Effects of Calcite Dissolution Time (day) 0  10  20  30  40  50 Dissolved U(VI) (mg/L) 0 5 10 15 Control 10 6 cells/mL MR­1 10 7 cells/mL MR­1 Simulation Cell spike LIFS Spectra of Aqueous Solutions at liquid helium temperature11 Microbial Reduction of Hanford Intragrain U(VI) Coupling of Biogeochemical Processes XRM analysis of Residual U Time (day) 0  10  20  30  40  50  60 Dissolved U(VI) (mmol/L) 0 10 20 30 40 Control MR­1 wild type = 1x10 8 cells/mL MR­1 OmcA(AB) = 1x10 8 cells/mL Cell spike Mtrc/OmcA12 Microbial Reduction of Hanford Intragrain U(VI) U silicate 30 mm SEM analysis showed residual U silicate in occluded regions13 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 17140  17150  17160  17170  17180  17190  17200  17210  17220 E (eV) Normalized absorption UO2 Uranyl (­444,­7833) (­1326,­8744) (­492, ­9044) (­1084, ­7795) (­510, ­8211) XANES analysis found mixed valence distribution of U(IV) and U(VI)  inside grains. Microbial Reduction of Hanford Intragrain U(VI) Other Reduction Process?14 Conclusions An NMR­PGSE technique indicated that a dual region diffusion model was required to simulate ion diffusion in the intragrain fractures of the granitic lithic fragment in Hanford sediment. Coupled electrodynamics and nonequilibrium thermodynamics (EDNT) model indicated that macroscopic ion diffusivity is a complex function of microscopic properties of mineral surface charges, ion exchange reactions, electrostatic double layers, and ion charge coupling. Macroscopic aqueous U(VI) concentration was determined by the microscopic coupling of biogeochemical processes of dissolution/desorption, diffusion and microbial activity. Microbial reduction of intragrain U(VI) in the contaminated Hanford sediment was complicated by the dissolution of calcite that released Ca to complex uranyl carbonates, which in turn slowed bioreduction rate and increased dissolution/diffusion rates. Some intragrain U(VI) in the contaminated Hanford 200 Area sediment was in occluded regions and might not be reactive due to mass transfer limitation.

Influence of Mass Transfer on U(VI) Microbial Reduction

https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc885506/m2/1/high_res_d/894284.pdf

Influence of Mass Transfer on U(VI) Microbial Reduction

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

UNT Digital Library