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Umweltchemie (Subject) / II (Lesson)

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• Welche Stoffe werden besser im Boden abgebaut (als in anderen Kompartimenten)? Welche Abbauprozesse im Boden kennen Sie? Grundsätzlich: Boden hat Mikroorganismen, daher können organische Substanzen besser im Boden abgebaut werden, als in anderen Kompartimenten. Dh. Stoffgruppe: Organische Schadstoffe. Sehr stabile organische Verbindungen, zb chlor-KWs können besser im Boden abgebaut werden, als in anderen Kompartimenten (?)   Abbauprozesse im Boden: RedoxreaktionenHydrolysePhotochemische Prozesse an der OberflächeBiotisch: aerob/anaerob: Reduktion von KWs, bsp. Anaerober Abbau von halogenierten KWs
• Welche dominierenden/grundlegenden Mechanismen bzw. Abbaureaktionen erwarten Sie in den unterschiedlichen Umweltkompartimenten? Luft: Oxidation, Photolyse (Fenton-Reaktion) (direkte oder indirekte über Aufspaltung von zB Wasser zu OH°) Wasser: Hydrolyse, Oxidation in oxischen, Reduktion in anoxischen Zonen, an der Oberfläche: direkte Photolyse, im Wasser indirekte über OH-radikal Boden: Biotischer Abbau durch Mikros, bei unterschiedlichen Redoxpotentialen, Redoxreaktionen, Hydrolyse, Photolyse im oberen Bereich, Mechanische Zerkleinerung.
• Welche Stoffe gelangen bevorzugt in die Atmosphäre? Beispiele von Abbauprozessen in der Atmosphäre Flüchtige Stoffe (Henry Konstante), VOC, Verbrennungsprodukte, Transport durch Winde, Grashüpfer Effekt. Abbauprozesse in der Atmosphäre sind vor allem abiotisch. Oxidation, Photolyse (direkte, indirekte).
• Abbau von organischem Stoff in der Atmosphäre, durch welche Radikale? Direkte Photolyse, indirekte Photooxidationsmittel: O3, HO2, OH -, NO3 -, Oft werden Oxidationen über OH- eingeleitet. 
• Möglichkeiten zur quantitativen Beschreibung von Abbau und Transformation? Ratengleichung dargestellt werden. Ratengleichung wird mit Proportionalitätsfaktor K beschrieben dA/dt= k* [A] K ist in der Ahrresiusgleichung definiert. Häufig werden Konzentrationsveränderungen in der Umwelt durch eine Gleichung erster Ordnung dargestellt, da die Veränderung abhängig ist von der Konzentration des Stoffes At = A0 * e^-kt Eigentlich sind oft zwei Stoffe beteiligt und es wäre eine Gleichung zweiter Ordnung, aber oft wird dann der eine Stoff als unbeschränkt verfügbar angenommen, um eine Gleichung (pseudo)erster Ordnung zu bekommen. Eine solche Gleichung ist die Halbwertszeit: At= 0,5 * A0 Ln0,5= kt1/2 t1/2= ln (0,5) / k
• Nennen Sie ein niedrigmolekulares und ein hochmolekulares PAK. Wie können die vorliegenden PAKS definiert werden? Welche Eigenschaften unterscheiden die beiden Verbindungen? Welcher PAK geht bevorzugt n Lösung? Begründen Sie… Allgemein: Eigenschaft von PAKs: Ringe sind anelliert (aneinandergebunden). Darum ist Biphenyl kein PAK. PAK sind unpolar. Mit zunehmender Anzahl kondensierter Ringe nehmen Flüchtigkeit und Löslichkeit ab.   Niedrigmolekular: Naphthalin- einfachstes PAK (nur zwei anellierte Benzolringe) Tendenz niedrigmolekular: Gasförmig in der Luft, wasserlöslich, wenig lipophil, geringe Bioakkumulation, wenig kanzerogen, wenig stabil. Aber Naphthalin weitgehend unlöslich in Wasser, aber sublimiert schon bei Raumtemperatur (fest ->gas).   Hochmolekular: Benzo[a]pyren Tendenz: Partikelgebunden in der Luft und im Boden. Schwerflüchtig -dh partikular vorliegend. Wasserunlöslich, da auch sehr gross und unpolar. Lipophiler (besseres durchdringen der Zellmembran). Stärkere Bioakkumulation, stabiler. Noch höherer Siedepunkt als Naphthalin (495°), sehr wenig löslich.   Sind beides Markersubstanzen für Kontrollen in Luft, Wasser, und im Boden.
• Bedingungen für Biologischen Abbau im Boden Geeignete Umweltbedingungen: Wasser für Hydrolyse, aber auch für Mikrobiellen AbbauTemperatur pH, Redoxpotenzial, Sauerstoff oder Anaerob Mikrobiologische Gemeinschaft, die enzymatische Möglichkeiten haben, den Stoff abzubauen.Stoff selber darf nicht zu hoch konzentriert sein und muss Bioverfügbarsein.
• Welche gesundheitsschädlichen SM kennen sie und welche Krankheiten können Sie verurachen? Welche spezifische Wirkung haben SM? Schädliche Schwermetalle: Zb Cadmium. Quellen sind Reifenabrieb, Industrie und Bergbau, Batterien ua. Schädigung des ZNS und Immunsystem. Kann Nierenschaden und Osteoporose verursachen. Spezifische Wirkung von SM?
• Henry Konstante Was besagt Sie? Beschreiben Sie Verteilung eines Schadstoffs in einem See Die Henrykonstante beschreibt die Verteilung eines Stoffen zwischen der flüssigen und Gasförmigen Phase: Hcc = ci, flüssig / ci, gas   Henry-flüchtigkeitskonstante KH = p(i) / c,sat (i)   P ist der Dampfdruck und nimmt Gemäß Clausius-Capeyron-Gleichung mit steigender Temperatur zu. .    Löslichkeitskonstante ist genau umgekehrt: H = csat, i/ pi
• Warum ist ein Schadstoff kritisch, wenn er einen hohen Kow Wert hat Ein hoher Kow Wert bedeutet, dass er lipophil ist, sich besser in Octanol als in Wasser aufgelöst hat. Dadurch kann man über den Stoff sagen, dass er, sobald einmal in der Nahrungskette, angereichert wird, da er im Fettgewebe gelöst wird. Die Abbaubarkeit ist dadurch, dass der Stoff nicht polar ist auch eher schlecht zu erwarten. Kbio (Verteilungskoeffizient in ci,Organismus/ci,Wasser)
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• Was ist zu beachten, wenn man die Konzentration eines Schadstoffs in einem Fisch mißt? Das Trophische Niveau?
• Wie ist ein Boden charakterisiert? Drei Bodenphasen: Bodenluft, Bodenwasser, Bodenmatrix. Genauer: Lagerungsdichte, Porenvolumen, volumetrischer Wasseranteil.   Organik Gehalt, Porosität, Ksat, KAK?
• Was sind Verteilungskoeffizienten? Vk beschreiben quantitativ die Verteilung von Verbindungen (i) zwischen nicht-mischbaren Phasen im thermodynamischen Gleichgewicht   K = Ci Phase B/ Ci, Phase A
• Was passiert, wenn ein Schadstoff in den Boden kommt? Viele Schadstoffe können an der Organik adsorbieren. Dies hängt also von dem Verteilungskoeffizenten Boden – Bodenlösung. Adsorption/desorption, wird über den Sorptionskoeffizenten Ks= ci, sorbiert/ci, gelöst beschrieben und dieser kann mit der Freundlich oder Languirisotherme beschrieben werden. Kd= ci sorbiert / ci gelöst ^n N: freundlich Exponent. Wenn Kd Adsorption an suspendierten Partikeln (schwebstoffen, Sedimentpartikel, Bodenpartikel) beinhaltet sieht die gleichung so aus: Kd = Wi partike * p partikel /Wi, Wasser *p Wasser Wi, ist massengehalt des stoffes i in partikel oder wasser
• Wie können Schadstoffe im Wasser transportiert werden? Stoffe können über Diffusion, Dispersion (turbulent), oder über advektiver Fluss transportiert werden. Findet an Übergang zum Boden eine Sedimentation, Adsorption statt, wodurch eine Fahne verzögert wird. Adsorption hängt von dem Stoff und der Bodenoberfläche ab und an Tonmineralien (permanente oder variable Ladung) wenn der Stoff positiv geladen ist. Durch Dispersion, insbesondere im Grundwasserleiter wird Schadstoff weiter verteilt. Bei offenem Fluss ist die Advektion am wichtigsten, Dispersion auch wichtig durch Fließturbulenz. Diffusion kann dann vernachlässigt werden
• Sedimentationsgeschwindigkeit?   Vs ergibt sich aus dem Gleichgewicht von Schwerkraft und Reibungskraft, (Annahme, Partikel sind Kugelförmig). Unterschiedlich bei laminarem Absinken: Gleichgewicht Schwerkraft Fg und Reibungskraft Fr, gemäß dem Stokes´schen Gesetz Fg=Fr (beinhaltet v) Aufläsen nach v Gleichgewicht zwischen Schwerkraft und Reibungskraft gemäß Newtonschen Widerstandgesetz: Fg = Fr (mit Widerstandbeiwert, dieser ändert sich je nach Sedimentations Geschwindigkeit.) Auflösen nach v   Reynoldszahl:   
• Wovon ist die Wasserlöslichkeit abhängig? Größe des Moleküls, Struktur des Moleküls Polarisierbarkeit Temperatur Löslichkeit kann verändert werden durch Fremd Ionen, pH Wert, grenzflächenaktive Stoffe, Lösungsvermittler, Komplexbildung, Kolloide. Mit zunehmendem Salzgehalt sinkt die Wasserlöslichkeit von lipophilen Stoffen (zB im Meer ist das bemerkbar)
• Wie ist Lipophilie definiert? Logarithmus des Kow wertes. Wenn Kow Wert einer ähnlichen Substanz bekannt ist, kann Lipophilie abgeschätzt werden. Es gibt funktionelle Gruppen die steigern die Lipophilie (zB, Halogene, Methylgruppe CH3) und solche, die senken die Lipophilie (zB: NH2, Carboxygruppen, Hydroxygruppen).
• Adsorption im Boden, Abhängig wovon? Kow bei Organik (?) und KAK, gibt variable und permanente Ladung pH Abhängigkeit
• Was ist Absortion? Aufnahme in Volume - Phasenübergang organischer Stoffe in oranisches Boden-/Sedimentmaterial (Organic Mater) - Kow beschreibt Aufnahme in Organische Substanz durch Modellsubstanz Octanol  Koc?
• Was ist Adsorption? Anlagerung. Phasenübergang organischer Stoffe an organische Oberflächen von Bodenpartikel, von im Wasser suspendierten Sedimentpartikeln oder Aerosolen
• Wie kann man auf die Speicher/Filterfunktion eines Bodens einwirken? Kalken, dadurch wir H+ gepuffert und die Oberfläche wird negativer. Man kann aber auch die Wasserleitfähigkeit des Bodens senken, zB durch Substratzugabe, mit geringer Ksat. Oder Zugabe von Organik, die Wasserspeichert.
• Wann läuft eine Reaktion spontan ab? Delta G < 0
• Was ist delta G? Freie Enthalpie, Veränderung der Gibbsenergie, Gibbs Energie
• Wird bei organo-metallverbindungen die Toxizität durch die steigende Anzahl von c-M-Ketten erhöht oder gesenkt? Zunahme der akuten Toxizität
• Verändert sich die Toxizität durch eine Änderung der Kettenlänge von organischen Gruppen an der C-M-Verbindung? Akute Toxizität nimmt ab.
• Welche abiotischen Reaktionen finden vor allem in der Hydrosphäre statt HydrolyseRedoxreaktionenDirekte und Indirekte Photochemie
• Welche Radikale sind selektive Oxidationsmittel? Nitrat Ozon (OH ist nicht selektiv)
• Was sind Parameter für Bioverfügbarkeit? Lipophilie (je lipophiler, je ungehinderter gelangt der Stoff durch die Lipiddoppelschicht der Zellmembran) Molekülgröße Struktur des Moleküls
• Welche Reaktionen gibt es? Redoxe- wird / werden zwischen Reaktionspartnern ausgetauscht. Oxidationszustände ändern sich Red: e- werden aufgenommen, Ox: e- werden abgegeben. Additionsreaktion: Mind. 2 Moleküle werden zu einem. Dafür werden Doppel- der Dreifachbindungen aufgespalten. Bsp: an Alken wird Aldehyd angelagert, an der kovalenten Doppelbindung (Gegenteil von Eliminierungsreaktion) Eliminierungsr. : Aus einem Molekül werden einzelne Atome oder mehrere Abgespalten. Bsp. Dechlorierung aus DDTSubstitutionsreaktion: Funktionelle Gruppe in Molekül wird ersetzt. Es gibt elektrophile und nukleophile Substitution (BsP: Nitrierung von Benzol, rsp Chlorradikale bei Methan) Kondensationsreaktion: Reagieren von 2 Molekülen zu einem, wobei 1 kleines Molekül abgespalten wird.(Oft Wasser, HCl, oder Methanol) Hydrolysereation: Aufspaltung mit Wasser, Umkehrreaktion der Kondensationsrea
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• Was ist Nukleophile, was elektrophile Substitution? Bei Nukleophiler Substitution wir ein  Heteroatom in Molekül durch ein Nukleophil ersetzt. Ein Nukleophil ist ein Elektronenreiches Molekül mit freien Elektronenpaaren. Nukleophile sind negativ geladen.Bei Elektrophiler Substitution wird ein Atom oder Atomgruppe durch ein Elektrophil ersetzt. Elektrophil hat an einer Position einen Elektronenmangel. Elektrophile sind positiv geladen
• Wovon ist die Reaktionsgeschwindigkeit abhängig? Arrhesius-Gleichung, stellt Abhängigkeit von Reaktionsgeschwindigkeit von der Temperatur dar. T steht negativ im Nenner des Exponents.
• Nenne verschiedene technische Maßnahmen zur Beseitigung von org. Schadstoffen aus der Luft GaskondensationPrinzip: Abkühlen -> Kondensieren, Zb Kontaktkondensation (80% Effizienz) RauchverbrennungPrinzip: Oxidation bei hohen Temperaturen (Zb katalytische Verbrennung), 80% Effizienz Partikelfilterung Prinzip: Poröser Gewebefilter (Schlauchfilter) mehr als 99,9% Photolytische Oxidation von VOC durch OH Radikale (Bildet sich ich Titanoxid als Katalysator)
• Was sind Administrative Mittel zur Reduktion von Schadstoffexposition? Stoffverbote (Substitution)BelüftungsanlagenRäumliche Isolation (Industrie wo anders als Lebensraum)ArbeitsschutzÜberwachung von Grenzwerten- Warnsystem
• Was sind Methoden zur Entfernung von org. Schadstoffen aus dem Abwasser? Vorbehandlung: Entfernung von Feststoffen1. Reinigungsstufe: Physikalisch: Sedimentation, Abtrennung von Klärschlamm 2. Reinigungsstufe:Biologisch: Oxidation von org. Stoffen durch Mikros (aerob, anaerob) 3. Reinigungsstufe:Chemisch: Fällung, Flockung, Neutralisation, Adsorption, Oxidation, Ionenaustausch 4. Weitergehende Verfahren, je nach Abwasser zB Filtration, Entkeimung.
• Sanierungsmethoden, was gibt es grundsätzlich für Unterschiede? Physikalische (Verbrennung, Deponie, Einhausung) Chemische (Waschung durch oberflächenaktive Substanzen, oder mit Lösungsmitteln, Abbau und/oder Immobilisierung durch chemisch aktive Substanzen) Biologische Sanierung(Phytoremediation, Abbau durch Mirkos Reduzierung oder Umwandlung von org. Stoffen).
• Unterschiedliche Herangehensweisen von Sanierungsmethoden In- situ (meist günstiger, langsamer)Ex-situ (on-site / off-site. Schnellere Wirkung, teurer)
• Grundwassersanierungsmethoden Pump- and-TreatTreat: Mehrere Behandlungsschritte. Aktivkohle, Flockung (Ablagerung in Sandfilter) Strippen, (überführen von flüchtigen Stoffen in Gasphase), Biodegradation in Bioreaktor Reaktive Barriere (zb FE0)Schadstoff gelangt durch GW bewegung zu der Reaktiven Barriere, tw zusätzlich durch funnel and gate. Dort chemisch aktive Substanzen, Zb Fe0, das Dechlorieren kann, oder Aktivkohle (Adsorption von Schadstoff) Air Sparging (Einpressen von Gas unterhalb des Grundwasserspiegels, um Schadstoffe zu strippen – leichtflüchtige Stoffe (BTEX) gehen gemäß Henry-gesetz in Gasphase über und wird abgesaugt. Zusätzlich: O2 einpumpen stimuliert die aerobe Degradation im GW)Bioremediation (Stimulation von Mikros)Geeignete Bedingungen, richtige Mikros, nicht zu hohe Konzentration. Einstellen des richtigen Milieus: Zugabe von org. Material, Fe0, ua -> reduzierenden Bedingungen. Zur Degradation von Schadstoffen tw anaerob, dann für Metabolit aerobes Milieu notwendig.
• Bodensanierungsmethoden In-situ vs AushubBioremediation (Phyto, Mikro)Bsp: Thermodesorption.Erhitzung des Bodens, dadurch Verflüchtigung des Schadstoffs von der Bodenmatrix, Gasabsaugen. Thermische Oxidation des Schadstoffes zu Co2 und H20, Oder über Aktivkohle, oder an Wärmetauschern kondensiert, Flüssigkeit entsorgt. (Sehr erfogreich für Dioxine, PCBs, Furane) Es gibt auch Reduktionsverfahren zur Umwandlung in der Gasphase, dabei entsteht CH4, das auch als Energiequelle genutzt werden kann. (Dioxine, DDT, PCBs) Mechanochemische DehalogenierungHalogenierte org. Schadstoffe werden in Kugelmühle mit Metall als Katalysator reduziert (Reduktive Dehalogenierung). Kugelmühle führt mechanische Energie zu. (PCBs -> Biphenyle) Ex-situ Bioremediation für Boden: Kompostierung. Auch hier Dechlorierung und Ringspaltung möglich.Beispiel Abbau von Benzol: Oxidation am Ring (Hydroxylierung), Ringspaltung, weiterer Abbau, in dem Os auch zu CooH gruppen angehängt werden. Beta-Oxidation: Spaltung von in unverzweigten kettenförmigen KWs
• Maßnahmen zur Sicherung bei Bodensanierung OberflächenabdichtungImmobilisierung GW Absenkung, Versiegelung (?)DrainageBodenluftdrainage
• Nennen Sie je eine organische und anorganischen Schadstoff in den Medien Wasser/ Boden und Luft. Boden: PFAS, SchwermetalleLuft: LCKWs.. BTEX (leichtflüchtige KWs), atm. Transport von DDT, Lindan. SO2, NOxWasser: PCE, NO3-
• 1. Welche Formen von KWs gibt es und durch welche allgemeinen Eigenschaften werden sie definiert? Aliphatische, Aromatische, Eigenschaften über funktionelle Gruppen, Heteroatome ?
• 2. Welche Quellen gibt es für BTEX und wie wirken sie auf die menschliche Gesundheit aus? Quellen: Verbrennung von Rohöl, Industrie, Ausgangssubstanz von vielen Chemikalien BTEX wirken unterschiedlich auf die Gesundheit. Benzol wirkt Kanzerogen, genotoxisch,, Andere auf das ZNS, am schlimmsten sind B und T
• 1. Wie wird in Europa mit Arzneimittelrückständen in Abwasser umgegangen und welche Stoffgruppen sind relevant? zweite Reinigungsstufe: org. Schadstoff werden in Gegenwart von Mikros oxidiert. Dritte Reinigungsstufe, chemisch: Entfernung von org. Stoffe (ua) durch Oxidation, Fällung, Adsorption Weitergehende Reinigung org. Abwasser: Stabilisierung in Abwasserteichen, aerob/anaerob.  Weitergehende Methoden bei Industrie- und Landwirtschaftsabwasser: Aktivkohle, Chemische Abscheidung ua.
• ELPOs Environmental Long range Transport and Persistence of organic substances. Modell zur Beurteilung von Wirkstoffen in Pflanzenschutzmittel und Industriechemikalien, hinsichtlich Reichweite und Persistenz. CTD= Kritische Transportdistanz. Reichweite, von Quelle auch, wo noch 37% des Stoffes vorhanden sind. Persistenz: Wird durch Gesamtaufenthaltszeit abgeschätzt. Verteilung des Stoffes in 6 Kompartimenten: Luft, Wasser, Sediment, natürlicher boden, Agrarboden, industrieller/urbaner Boden. Berechnet Transport nur in Luft (Windströmung) und Wasser!
• Grashüpfer Effekt erklären Schadstoffe können von dem Ort der Emission durch Windströmung in Richtung Pole verteilt werden (Energieausgleich). Dabei können Stoffe an Orten mit höherer Sonneneinstrahlung evaporieren, dann transportiert werden und in höheren Breiten kondensiert werden. 
• Kohlenwasserstoffe ohne funkt. Gruppe sind ... ... unpolar und schlecht löslich
• Atmosphärische Austauschpfade -        Advektion: Transport mit der mittleren Windströmung -        Diffusion: Diffusiver Transport v.a. zws Troposphäre und Stratosphäre -        Emission: Quellen meist an Erdoberfläche -        Trockene Deposition: Turbulenter Transport von Gasen und Partikeln -        Nasse Deposition: Transport mit Niederschlag -        Phasenübergang: z.B. Kondensation/Evaporation -        Lösung: von Gasen in flüssige Tropfen -        Adsorption/Desorption: von Gasen an/von festen Oberflächen
• Austauschpfade im Wasser -        Konvektion: Transport mit der mittleren Wasserströmung -        Sedimentation: Absinken suspendierter Partikel -        Diffusion/Dispersion: Diffusiver Transport in Wassersäule und Sediment -        Lösung und Emission von Gasen: Austausch mit der Atmo -        Lösung und Adsorption/Desorpzion von Feststoffen: Austausch mit dem Boden
• Austauschpfade im Boden -        Transportion mit dem Bodenwasser -        Atmosphärische Deposition: Eintrag aus der Atmo -        Volatilisierung und Evaporation: Übergang in die Gasphase -        Erosion: Transfer von Boden in Wasser oder Luft -        Leaching: Lösung aus der Festphase in Bodenwasser -        Adsorption/Desorption: an/von fester Bodenmatrix  

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