Master's Thesis

Evaluation of the Reactivity of Iron Nitride Nanoparticles with Organic Pollutants in Groundwater

Author of thesis: Bc. Phillip George Linney

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jana Křížek Oborná, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Vojtěch Enev, Ph.D.

Abstract:

This thesis focuses on evaluating the reactivity of a nanomaterial predominantly composed of the γ′-Fe4N crystalline phase toward selected chlorinated hydrocarbons (CHCs): vinyl chloride, trans-1,2-dichloroethene, 1,1-dichloroethene, 1,2-dichloroethane,
1,1,2-trichloroethane, and chloroform, which are present in groundwater as contaminants. The experiments were conducted at room temperature in synthetic moderately hard water, under anaerobic conditions, and without pH adjustment. A GC-FID method with static headspace was optimized and validated for the determination of CHCs. The nanomaterial was characterized using SEM, TEM-EDS, and X-ray powder diffraction; its specific surface area and reduction capacity were also determined. The results demonstrated the material’s ability (>97 wt%  γ′-Fe4N) to reductively dehalogenate most of the testedpollutants. Pseudo-first-order reaction rate constants were determined and the reactivity was compared; the highest rate constant was found for trans-1,2-dichloroethene, while 1,2-dichloroethane did not react with the tested material under the selected conditions.

Keywords:

iron nitrides, nanoparticles, reactivity, chlorinated hydrocarbons, groundwater remediation

Date of defence

27.05.2026

Date of publish

26.05.2031

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student ve své prezentaci seznámil komisi s cíli, náplní a výsledky své diplomové práce. Dále byly přečteny posudky vedoucí a oponenta a byly zodpovězeny položené otázky. Při diskuzi k tématu diplomové práce se zapojili i další členové komise se svými otázkami: prof. Ing. J. Krajčovič, Ph.D. - Jaká je účinnost degradace látek Vámi testovanými nanočásticemi ve srovnání s běžně používanými? doc. MVDr. H. Zlámalová Gargošová, Ph.D. – Jeden z degradačních produktů je vinylchlorid – za jak dlouho je dále degradován, na co? Ing. J. Másilko, Ph.D. – Jak byly získány používané nanočástice? doc. Ing. P. Krystyník, Ph.D. – Můžete upřesnit systematické názevy testovaných látek? Diplomant při obhajobě práce a v odpovědích na dotazy projevil schopnost výborné orientace v dané problematice, a to jak po teoretické, tak i praktické stránce. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomant prokázala nejen výbornou orientaci v dané problematice, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Environmental Chemistry and Technology (NPCP_ECHT)

Composition of Committee

doc. Mgr. Renata Komendová, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Michaela Vašinová Galiová, Ph.D. (předseda)
doc. MVDr. Helena Zlámalová Gargošová, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jozef Krajčovič, Ph.D. (místopředseda)
Ing. Jiří Másilko, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Pavel Krystyník, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Tomáš Rozsypal, Ph.D. (člen)

Diplomová práce Bc. Phillipa George Linneyho je zaměřena na studium reaktivity nanočástic nitridů železa vůči vybraným chlorovaným organickým polutantům podzemních vod. Teoretická část práce podává přehled problematiky kontaminace podzemních vod, možností jejich sanace pomocí reduktivních technologií a dále se zejména věnuje vlastnostem, syntéze a charakterizaci částic nitridů železa ale i reaktivitě vybraných chlorovaných methanů, ethanů a ethenů s tímto materiálem. Pozitivně hodnotím rozsah prostudované literatury a orientaci studenta v dané problematice. V experimentální části student prokázal schopnost samostatné práce s plynovým chromatografem a nabyl zkušenosti s manipulací s těkavými organickými látkami. Úspěšně zvládl také několikahodinové přípravy a zpracování vzorků v rukavicovém boxu, které patří dle mého názoru mezi fyzicky náročné činnosti vyžadující vysokou míru pečlivosti a trpělivosti. V průběhu řešení diplomové práce se student rovněž seznámil s řadou instrumentálních technik využívaných pro charakterizaci materiálů. Získané výsledky dokázal správně vyhodnotit a vhodně interpretovat. Rozsah optimalizace a validace analytické metody byl vzhledem k časové náročnosti experimentální části práce omezen především na základní validační parametry. Tato skutečnost se částečně promítla i do formální stránky práce, která obsahuje několik drobných typografických a jazykových nedostatků. I přes uvedené nedostatky jsou výsledky této diplomové práce velmi přínosné, neboť vedou k lepšímu pochopení reaktivity nanočástic nitridů železa vůči chlorovaným organickým polutantům a současně přispívají k posouzení jejich potenciálního využití při sanaci kontaminovaných podzemních vod.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání B
Studium literatury a její zpracování B
Využití poznatků z literatury B
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce B
Celkový přístup k řešení úkolů B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
doc. Ing. Vojtěch Enev, Ph.D.

Student Phillip George Linney se ve své diplomové práci zabýval v dnešní době velmi aktuálním tématem, a to využití nanomateriálů na bázi nanočástic nitridů železa k dehalogenaci vybraných chlorovaných uhlovodíků.
Teoretická část této diplomové práce je správně a logicky rozdělena do několika subkapitol, kde se autor nejdříve věnuje obšírněji využití nanotechnologií v environmentální ochraně podzemních vod z hlediska kontaminace tohoto prostředí (ekosystému) chlorovanými organickými sloučeninami. Majoritní část této části DP je věnována nanomateriálům resp. Nanočásticím na bázi nitridů železa a jejich fyzikálně-chemické charakterizaci. Teoretická část této diplomové práce je zakončena představením instrumentálních technik ke studiu a stanovení výše zmíněných polutantů ve vzorcích vod.
Z celkového pohledu je teoretická část této DP zpracována kvalitně a pečlivě, kde mohu především vyzvednout logickou stavbu textu, aktuálnost použitých literárních zdrojů a zejména velké množství informací, které jsou uspořádány do velmi čtivého textu. Dále oceňuji zejména subkapitolu 2.6 věnovanou použitým nanomateriálům tzn. nanočásticím nitridů železa, což méně zasvěcenému čtenáři v této vědní oblasti dozajista pomůže k lepší orientaci a porozumění diskutovaných experimentálních dat v části DP věnované výsledkům a jejich diskusi. Nicméně si dovolím uvést pár připomínek či doporučení: v textu jsou zvoleny některé nešikovné obraty jako např. syntetická voda (spíše by bylo vhodnější modelová); vznikají průmyslovou chlorací (jsou produkovány…; viz subkapitola 2.3.3); jelikož se jedná zde o VŠKP magisterského studia, tak se mi v tomto kontextu zdá být zbytečné uvádět zvláště na FCH v textu strukturní vzorce tak jednoduchých organických sloučenin, jako jsou chlorované mathany a ethany/etheny viz strana 11–12. Dále bych uvítal v této části VŠKP více zpracovaný současný stav řešené problematiky, ať už formou samotné subkapitoly anebo jednotlivých odstavců v samotném textu.
Náplní experimentální části této DP byla přednostně optimalizace měření a stanovení vybraných polutantů pomocí HS-GC-FID a dále stanovení reaktivity použitých nanočástic reprezentované jejich rychlostními konstantami kobs. V průběhu měření kinetiky byl u dvou zástupců chlorovaných organických sloučenin pozorován vznik degradačních chlorovaných produktů, z nichž majoritně zastoupený byl kvantifikován jako vinylchlorid. Dále byly nanočástice nitridů železa charakterizován z hlediska fyzikálně-chemických metod s ohledem na jejich redukční vlastnosti a XRD. Dále byla studována morfologie nanočástic pomocí SEM/TEM. Na tomto místě musím konstatovat, že množství provedených experimentů s ohledem na jejich pracnost a časovou náročnost, dle mého názoru splňují časovou dotaci DP.
Student si v diskusi výsledků počíná velmi dobře, kde se snaží spojit do správných souvislostí informace, které byly získány pomocí jednotlivých instrumentálních technik. Dále bych rád studenta pochválil za velmi pěkně zpracovanou interpretaci naměřených dat získaných pomocí HS-GC-FID.
Tabulky a grafy jsou zpracovány docela kvalitně a není těžké se v nich orientovat, avšak v případě chromatogramů degradačních produktů bych ocenil zpracování v některém vhodném softwaru např. Origin atp.
Dále oceňuji poměrně kvalitně zpracovaný závěr, které je správně rozdělen do logických a chronologicky na sebe navazujících odstavců, které shrnují nejdůležitější závěry této diplomové práce.

Diplomová práce Phillipa George Linneye splnila požadavky definované v jejím zadání a představuje jednoznačný přínos v oblasti studia nových sanačních postupů podzemních vod kontaminovaných chlorovanými uhlovodíky za použití nanočástic nitridů železa, a proto hodnotím tuto diplomovou práci (B) – velmi dobře.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Využití literatury a její citace B
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem B
Závěry práce a jejich formulace B
Topics for thesis defence:
  1. Mohl by student prosím více představit aplikační potenciál těchto reaktivních nanočástic ve zmíněné environmentální ochraně tzn. podzemních vod, a to zejména z hlediska aplikačního množství, formy, způsobu aplikace a cenové náročnosti tohoto ochranného postupu?
  2. Mohl by student diskutovat, zda jsou známa nějaká omezení použití těchto nanočástic nitridů železa? Případně vliv rozpuštěné organické hmoty (DOC)/huminových látek (fulvinových kyselin) na reaktivitu těchto nitridů, i když je koncentrace těchto přírodních organických sloučenin v těchto vodách poměrně nízká cca do 2 mg/L.
  3. Jaká je mobilita zmíněných chlorovaných kontaminantů v půdním profilu?

Grade proposed by reviewer: B

Reasons for publication postponement

Publication of the final thesis has been postponed in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on the Higher Education Institutions and on amendments and supplements to other acts, as amended.

The work contains research results with potential for commercial application, specifically the reactivity of iron nitride nanoparticles in their interaction with chlorinated hydrocarbons. This information has not yet been published.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová