Sturing bij in situ saneringen, specifieke monitoringtechnieken, bepaling componentspecifieke stabiele isotopen

Als aanvulling op de in de praktijk gangbare en veelvuldig toegepaste monitoringtechnieken zijn de afgelopen jaren specifieke technieken ontwikkeld voor complexe verontreinigingssituaties, zoals onder meer voor het inzichtelijk maken van dechloreringsprocessen bij gechloreerde verontreinigingen. Een van deze technieken is gericht op het bepalen van component specifieke stabiele isotopen.

Achtergrond componentspecifieke stabiele isotopen analyses

Organische componenten bestaan van nature uit verschillende stabiele isotopen. Zo bestaat natuurlijk koolstof uit een mengsel van koolstof-12 (12C, 98,89%) en koolstof-13 (13C, 1,11%) en een klein beetje koolstof-14 (14C, minder dan 0,001%) Het is bekend dat bacteriën verbindingen met lichte isotopen preferentieel afbreken, waardoor in het geval van koolstof de verhouding 13C:12C (de “δ13C-ratio” of isotopenratio) van de resterende verbinding (de uitgangsstof) verandert als het gevolg van afbraak (lit. 2) (Fig 2). Ook bij chemische omzetting of vervluchtiging treedt dit proces op en neemt de verhouding 13C:12C toe. Dit proces wordt fractionering genoemd. Deze analyses zijn onafhankelijk van de concentratie. Naast isotopenanalyses op koolstof kunnen ook isotopenanalyses op waterstof 1H en 2H) of chloride (35C l en 37Cl) worden uitgevoerd.

Figuur 2, Principe van fractionering; verandering van de koolstof-isotopenratio van de uitgangsstof bij afbraak

Welke informatie levert de isotopenratio of fractionering van een verontreiniging?

De isotopenratio van een component en de verandering van deze ratio in de tijd (fractionering) geeft de volgende informatie:

• Een toename van de isotopenratio in de tijd duidt op afbraak van de verontreiniging (hierbij is een traject van bron naar pluim ook equivalent met tijd). Deze ratio is geschikt voor het aantonen van Natuurlijke Afbraak op een locatie;
• Voor verontreinigingen waarbij tijdens afbraak geen specifieke of meetbare afbraakproducten worden gevormd, is een isotopenanalyse een zeer waardevolle aanvulling voor het aantonen van natuurlijke afbraak;
• Op basis van fractionering kan de afbraaksnelheid van uitgangsproducten berekend worden;
• Op basis van verschillen in de isotopenratio kunnen bronnen van verontreiniging worden onderscheiden. Op basis van overeenkomsten kan de herkomst van een verontreiniging worden bepaald (bronnen/pluimen).

Wanneer worden verbindingsspecifieke stabiele isotopen analyses toegepast?

Verschillen en overeenkomsten in isotopenratio’s van een uitgangsverbinding zijn een duidelijke meerwaarde en aanvulling op standaard monitorings- en onderzoeksprogramma’s voor de volgende situaties:

• Aantonen of afbraak heeft plaatsgevonden;
• Een onderscheid maken of concentratieverlaging het gevolg is van afbraak of als gevolg van verdunning, adsorptie of transport. Bij deze laatste (fysische) processen treedt geen fractionering op;
• Het achterhalen van bronnen van verontreiniging;
• Op basis van isotopenfractionering en literatuurgegevens over het omzettingsproces kan de afbraaksnelheid van uitgangsproducten berekend worden en is de saneringsduur te voorspellen.

Methode, voorwaarden en kosten componentspecifieke stabiele isotopen analyses

De analyse wordt in het lab uitgevoerd met een GC-IRMS. Tijdens analyse van verbindingsspecifieke stabiele isotopen wordt de isotopenratio van een element in een specifieke verbinding bepaald, zoals koolstof, waterstof (BTEX, VOCl) of chloride (VOCl). Afhankelijk van de te onderzoeken verontreiniging wordt bepaald welk element het meest geschikt is voor de isotopenanalyse. Indien isotopenratio’s worden gebruikt voor de bepaling van de (range aan) afbraaksnelheden is het benodigde aantal analyses groter.

Zowel voor het vaststellen van afbraak als voor het bepalen van de afbraaksnelheid is een tijdserie of een serie van isotopenratio’s in een stroombaan van de verontreiniging nodig. Wanneer de stroomsnelheid van het grondwater bekend is, kan worden uitgerekend hoe lang het heeft geduurd voordat grondwater van de stroomopwaartse naar een stroomafwaartse peilbuis is gestroomd.

Voor de isotopenanalyse worden grondwatermonsters genomen. De kosten voor een analyse van de isotopenratio variëren van circa € 275 tot € 450, afhankelijk van de isotoop (C, H of Cl), het aantal specifieke verbindingen in een monster en het aantal analyses per meetronde (prijspeil 2009).

Zie [Praktijktoepassing isotopen analyses op locatie in Kesteren] en de [Overzichtskaart mate van toepassing bepalen van component specifieke stabiele isotopen].