Bioaccessibility of lead from lead-contaminated soil upon phosphate amendment using a

146 Pages·2017·1.36 MB·English

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Masters Theses Student Theses and Dissertations
Fall 2017
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Samantha Jo DiCenso
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DiCenso, Samantha Jo, "Bioaccessibility of lead from lead-contaminated soil upon phosphate
amendment using a physiologically-based extraction test" (2017). Masters Theses. 7716.
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BIOACCESSIBILITY OF LEAD FROM LEAD‐CONTAMINATED SOIL UPON PHOSPHATE 
AMENDMENT USING A PHYSIOLOGICALLY‐BASED EXTRACTION TEST 

by 

SAMANTHA JO DICENSO 

A THESIS 

Presented to the Faculty of the Graduate School of the  
MISSOURI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY 
In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree 
MASTER OF SCIENCE IN ENVIRONMENTAL ENGINEERING 

2017 

Approved by 
Mark Fitch, Advisor 
Joel Burken 
David Wronkiewicz

iii 

ABSTRACT 

Lead is known to cause health problems in humans, especially children, and an 
effective in‐situ remediation option has been sought for years.  Adding phosphoric acid 
(PA) to contaminated soil causes a reaction that binds the lead to phosphate to produce 
pyromorphite (Pb (PO ) Cl), a form of lead believed to be non‐bioavailable; however, 
5 4 3
field trials have given varied results (Bosso et al 2008; Munksgaard and Lottermoser 
2011; Tang et al. 2009).  One explanation for these results might be the impact of the 
agent used to raise pH after phosphoric acid addition.  In order to examine this 
explanation soil was collected from the Bonne Terre area in Missouri, which is known to 
have a high lead content due to past smelting activities.  The soil was mixed with PA 
before calcium hydroxide and sodium hydroxide were added to the soil to neutralize the 
pH changes caused by the PA addition, and to determine whether the pH amendment 
impacted the rate of pyromorphite formation.  The soil was then run through a 
physiologically‐based extraction test (PBET) that simulates a child’s stomach process to 
evaluate the success of the remediation attempt.  The soil was monitored for a month 
after amendment addition, with all soil samples run through the PBET and a flame 
atomic absorption spectrometer to analyze the samples.  Upon discovering that the 
change in concentration of extractable lead in soil was not statistically significant, an in‐
vitro test was conducted to discover what was occurring in the soil.  Titration 
experiments were conducted based on the idea that pyromorphite was forming in the 
soil, but the low stomach pH was causing it to re‐dissolve.  The titration experiments 
showed that below pH 3, pyromorphite dissolves, a hitherto overlooked phenomenon.
iv 

ACKNOWLEDGEMENTS 

I would like to thank my advisor, Dr. Mark Fitch, as well as my advising 
committee, Dr. Joel Burken and Dr. David Wronkiewicz.  This research would not have 
been possible without their help, as well as the help of Dr. Santosh Mishra for his 
assistance in troubleshooting problems with machinery, and the staff of the Missouri 
S&T Library who were invaluable in tracking down research papers.   Thanks also goes to 
the undergraduate team and various friends who assisted in collecting data and staying 
long hours to ensure I was not left alone in the lab while conducting research.  Thank 
you Daniel Richardson, Kairsti Goodrich, Brett Miller, Blake Hardin, Ian Ramsey, Kari 
Ward, Frank Marshall and Ian Schroen.  I would also like to thank Austin Doss for 
providing post‐amendment pH values from his own research to include in this paper, 
and Katherine Wagner for her assistance in editing the final version of this paper.  A 
special thanks to Jessica Chowning who brought me homemade lasagna on particularly 
long nights spent in the lab.
v 

TABLE OF CONTENTS

                          Page 
ABSTRACT ............................................................................................................................ iii 
ACKNOWLEDGEMENTS ....................................................................................................... iv 
LIST OF FIGURES ................................................................................................................. vii 
LIST OF TABLES .................................................................................................................. viii 
LIST OF ABBREVIATIONS AND ALTERNATE TERMS ............................................................. ix 
SECTION 
     1.     INTRODUCTION ....................................................................................................... 1 
     1.1.     METHODS OF DEALING WITH LEAD IN SOIL .................................................... 2 
     1.2.     PYROMORPHITE AS A MEANS OF REMEDIATION ............................................ 3 
     1.3.     PHOSPHATE AMENDMENTS ............................................................................. 5 
     1.4.     BIOAVAILABILITY ANALYSIS METHODS ............................................................ 6 
     1.5.     IMPACTS OF pH ON BIOAVAILABILITY .............................................................. 8 
     1.6.     DOES PHOSPHATE REMEDIATION WORK:  A SHORT REVIEW ......................... 9 
     1.7.     RELATED RESEARCH IN THE FIELD .................................................................. 10 
     2.     METHODS .............................................................................................................. 12 
     2.1.     PURPOSE AND EXPERIMENT OVERVIEW ....................................................... 12 
     2.2.     SOIL CHARACTERISTICS .................................................................................. 13 
     2.2.1. Collection. ................................................................................................... 13 
     2.2.2. Homogenization and Characterization. ...................................................... 13 
     2.3.     PHYSIOLOGICALLY BASED EXTRACTION TEST (PBET) EXPERIMENT ............... 15 
     2.3.1. Soil Amendments and Sampling. ................................................................ 15 
     2.3.2. PBET/FAA Testing Procedures. ................................................................... 17 
     2.3.3. Effects of Storage. ....................................................................................... 21 
     2.4.     pH CONTROL TESTS ........................................................................................ 21 
     3.     RESULTS AND DISCUSSION ................................................................................... 22 
     3.1.     SOIL CHARACTERIZATION ............................................................................... 22
vi 

     3.2.     PBET LEAD EXPERIMENT ................................................................................ 23 
     3.3.     pH CONTROL TESTS ........................................................................................ 26 
     4.     POSSIBLE SOURCES OF ERROR .............................................................................. 31 
     5.     CONCLUSIONS ....................................................................................................... 33 
APPENDICES 
A. SOIL CHARACTERIZATION DATA ........................................................................... 35 
B. PBET LEAD EXPERIMENT DATA ............................................................................. 58 
C. pH CONTROL DATA ............................................................................................... 95 
BIBLIOGRAPHY ................................................................................................................ 128 
VITA ................................................................................................................................. 136
vii 

LIST OF FIGURES 

                          Page 
Figure 2.1: Bucket Setup – After Amendment Addition, Immediately Before Mixing .... 16 
Figure 2.2: PBET Setup – View of PBET Tank and External Heating Tank ........................ 18 
Figure 2.3: Soil Preparation for PBET .............................................................................. 19 
Figure 2.4: PBET Setup – View of PBET Tank with Separatory Funnels ........................... 20 
Figure 3.1: Bioaccessible Pb Over Time ........................................................................... 24 
Figure 3.2: Bioaccessible Pb Over Time (Day 7 to Day 15) .............................................. 25 
Figure 3.3: Concentration vs. pH: Low Starting pH ......................................................... 27 
Figure 3.4: Concentration vs. pH: High/Neutral Starting pH ........................................... 28
viii 

LIST OF TABLES 

                          Page 
Table 2.1: Soil Treatments – Variations of Lime and Lye ................................................ 15 
Table 3.1: Initial Pb and Ca Soil Concentrations from FAA Analysis ................................ 22 
Table 3.2: Amendment Additions ................................................................................... 23 
Table 3.3: Soil Sample Comparison: PBET at pH 3 and pH 1.8 ........................................ 29
ix 

LIST OF ABBREVIATIONS AND ALTERNATE TERMS 

i. PBET Physiologically based extraction test 
ii. FAA Flame Atomic Absorption Spectrometer 
iii. GFAA Graphite Furnace Atomic Absorption Spectroscopy 
iv. Pb lead 
v. Lime Calcium hydroxide (Ca(OH) ) 
2
vi. Lye Sodium hydroxide (NaOH) 
vii. Pyromorphite Chloropyromorphite (Pb (PO ) Cl) 
5 4 3
viii. PA phosphoric acid (H PO ) 
3 4
ix. DI deionized (usually referring to deionized water) 
x. Soln solution 
xi. Conc concentration 
xii. Std. Dev standard deviation 
xiii. MDL method detection limit