In situ extractie, uitgangspunten voor het ontwerp, vergroten van de oplosbaarheid

Naast het mobiliseren vormt het vergroten van de oplosbaarheid van de verontreiniging het tweede werkingsprincipe van in situ extractie. Eén van de meest kenmerkende eigenschappen van surfactanten is de vorming van clusters van moleculen, de zogenaamde micellen, zie figuur 1. Een micel kan gezien worden als een 3 tot 4 mm grote druppel van een apolaire stof met een polaire of ionische mantel. De staarten van de surfactant zijn naar binnen gericht, de koppen van de surfactant vormen de mantel. Micellen worden gevormd boven een bepaalde concentratie, de kritische micel-concentratie (CMC). De CMC is verschillend voor iedere surfactant en varieert van 0,01 tot 10 mMol/l [West]. Boven de CMC neemt het oplossend vermogen van verontreinigingen sterk toe, doordat de verontreiniging oplost in het apolaire deel van de micel, terwijl de polaire mantel de oplosbaarheid van de micel in de waterfase garandeert.

Figuur 1 Evenwichten tussen verontreinigingen, oppervlakte-actieve stoffen en de bodem[Edwards]

In figuur 1 is schematisch een aantal evenwichten weergegeven. De concentratie surfactant in oplossing wordt mede bepaald door de hoeveelheid surfactant die aan de bodem adsorbeert. Nadat de bodem verzadigd is met surfactant neemt de concentratie in de waterfase toe totdat de CMC wordt bereikt. Boven deze concentratie bestaat de vloeibare fase uit twee pseudo-fasen: de waterfase en de micellen daarin. Tot aan de CMC neemt de oppervlaktespanning exponentieel af en blijft constant nadat de CMC is bereikt. Door bij verschillende concentraties aan surfactant de oppervlaktespanning te meten, kan worden bepaald wat de CMC is. Door hetzelfde experiment te herhalen in een grondslurrie kan worden bepaald hoeveel surfactant aan de bodem adsorbeert. In het voorbeeld van figuur 2 is de CMC in waterige oplossing ongeveer 10E-4 Mol/l en de concentratie die aan een bodemslurrie moet worden toegevoegd voor het bereiken van de CMC ongeveer (10E-2,5=) 3•10E-3 Mol/l. Voor een slurrie met 10 gewichtsprocent grond betekent dat een adsorptie van circa 0,03 Mol surfactant per kilogram grond.

Figuur 2 Oppervlaktespanningscurven voor een waterige oplossing en grondslurrie [Edwards]

In de tabel is een (niet compleet) overzicht gegeven van een aantal eigenschappen en kosten van commercieel beschikbare surfactanten. Op basis van de lading van de hydrofiele kop kan onderscheid worden gemaakt in oppervlakte-actieve stoffen met een positieve lading (kationisch), een negatieve lading (anionisch), zowel een positieve als negatieve lading (zwitterionisch of amphoteer) of zonder (nonionogeen) lading.

Tabel B7.4 Eigenschappen van een aantal commercieel verkrijgbare surfactanten [Noort]

Voor de bovengenoemde nonionogene oppervlakte-actieve stoffen is een positief effect op het oplossend vermogen waargenomen. Voor triton X-100 is vanaf 0,1% ook een desorptie stimulerend effect waargenomen. Boven een concentratie van 1,5% neemt het stimulerende effect nauwelijks meer toe. De anionische oppervlakte-actieve stoffen stimuleren de oplosbaarheid minder significant tot niet. Het effect van de onderzochte kationische oppervlakte-actieve stoffen ligt tussen dat van de nonionogene en anionische oppervlakte-actieve stoffen in [Noort].

De biologische afbreekbaarheid van oppervlakte-actieve stoffen ligt in de orde van 50 tot 100 procent afbreekbaar binnen 10 tot 20 dagen. Deze afbraaksnelheden gelden echter voor aërobe condities. Onder de anaërobe condities die men aantreft in bodems met biologisch afbreekbare organische verontreinigingen verlopen de afbraakprocessen van oppervlakte actieve stoffen langzamer [Amdurer].