Bodenschutz (Fach) / 2. Bodenschutzrelevante Bodeneigenschaften und -prozesse (Lektion)

Stoffliche Belastungen (Schwermetalle, Säure, Organische Schadstoffe)

Diese Lektion wurde von stefanpetter erstellt.

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• Böden sind dank ihrer Filterfunktion wichtige Senke für viele Schadstoffe. Erläutern! Welche Schadstoffe gibt es? Schadstoffe werden gebunden/sorbiert und somit nicht weiter verbreitet. Schadstoffe reichern sich im Boden an. Anorganische Schadstoffe: Schwermetalle (Pb, Cd, Cu, Cr, Ni...), Säuren, Arsen, Cyanide...      2.  Organische Schadstoffe Pflanzenschutzmittel, Mineralölbestände, Arzneimittel/Antibiotika, Klärschlämme + einige 10.000 Verbindungen  
• Schadstoffverbleib im Boden An erster Stelle ist die Sorption, also der Verbleib im Boden zu nennen.  Biologischer Abbau von Schadstoffen über Mikroorganismen, tlw. zu Metaboliten/Zwischenprodukten oder CO2. Verflüchtigung über die Gasphase (z.B. auf Deponien der Fall) Pflanzenaufnahme (WP Boden-Nutzpflanze von Relevanz) Verlagerung ins Grundwasser (WP Boden-Grundwasser)
• Wie werden Schadstoffe im Boden gebunden? Sorption an Feststoffe/Sobenten (Minerale/Ton, Humus, Metalloxide) Fällung von unlöslichen Reaktionsprodukten Komplexierung Immobilisierung der Schadstoffe Weniger Schadstoffe in der Lösungsphase Geringere Verlagerung ins Grundwasser Geringere Pflanzenverfügbarkeit Kein Einfluss auf Gesamtgehalte
• Definition von Sorption, Sorbenden und Sorbate Sorption: Anlagerung und Abgabe gelöster oder gasförmiger Stoffe (Sorbate) an festen Oberflächen (Sorbenten). Sorbenten: Tonminerale, Metalloxide, organische Substanz Sorbate: Ionen (Anionen, Kationen), organische Substanz
• Sorptionsmechanismen Van-der-Waals-Wechselwirkung Dipol-Dipol Wechselwirkung Wasserstoffbrückenbindung elektrostatische Wechselwirkung (Kationen- und Ligandenaustausch) Kovalente Bindung
• Die Van-der-Waals-Kraft schwache Kraft die zwischen allen Molekülen auftritt. Dipolmomente sind sehr klein und die elektrostatische Anziehung eher schwach mit geringer Reichweite. Gekos nutzen die VdW-Kräfte um senkrechte Flächen zu erklimmen.
• Sorptionsmechanismen: Dipol-Dipol-Wechselwirkung Kräfte, die zwischen Molekülen herrschen, die ein Dipolmoment besitzen. Diese zwischenmolekularen Kräfte sind schwächer als die Kräfte bei den Wasserstoffbrückenbindungen, jdeoch stärker als die Van-der-Waals-Kräfte.  
• Sorptionsmechanismen Wasserstoffbrückenbindung Das sind Bindungen elektrostatischer Natur. Ihre Stärke liegt in der Regel deutlich unter denen der kovalenten Atombindung.
• Sorptionsmechanismen elektrostatische Wechselwirkungen außersphärische Komplexe (Kationenaustausch) Austausch von an der Oberfläche von Bodenpartikeln gebundenen Kationen mit in der Bodenlösung gelösten Kationen. Tonminerale, Humus und Metalloxide weisen i.d.R. negative Ladungen auf, an die sie Kationen des Bodenwassers binden. Eher schwach, da aussersphärisch. innersphärische Komplexe (Ligandenaustausch) Chemische Reaktion, bei der ein Ligand eines Komplexes gegen einen anderen Liganden ausgetauscht wird. Stabiler als Kationen-austausch, da innersphärisch. Es entsteht derjenige Komplex der am stabilsten ist. Cu bildet solche Komplexe.
• Sorptionsmechanismen Kovalente Bindung Auch Elektronenpaarbindung genannt. Sehr starke Bindung zwischen gelösten Schwermetallen und der festen Bodenmatrix.
• Sorbenten Tonminerale, Metalloxide und Huminstoffe Sorptionsvermögen für Sorbate ist abhängig von spezifischer Oberfläche Oberflächenladung, permanent/variabel, positiv/negativ (Tonminerale mit permanenter Oberflächenladung, Eisenoxide variabel) Polarität/Benetzbarkeit von Wasser Oberflächenbelegung funktionelle Gruppen chemischem Millieu (pH, Salze, PAK) Böden sind keine Reagenzgläser, viele Faktoren beeinflussen die Sorptionsprozesse.
• Tonminerale Tonmineraleverleihen dem Boden die Fähigkeit Moleküle zu sorbieren. Sie haben eine hohe reaktionsfähigkeit aufgr. des isomorphen Ersatzes (permanente Ladung) der eine negative Schichtladung im Kristallgitter erzeugt. Sie können auch Komplexe mit Metalloxiden bilden, dabei werden Kationen fixiert. Wichtige Sorbenten im Boden sind meist silikatischer Natur <2µm groß in der Tonfraktion vorkommend.
• Tonminerale Ladung von Tonmineralen Isomorpher Ersatz im Kristallgitter, sie besitzen eine permanente (i.d.R. negativ) Oberflächenladung und können somit Kationen fixieren. Tonminerale besitzen pH-abhängigen Ladungsnullpunkt, Sorptionsvermögen wird beeinflusst. Tonminerale können Komplex mit Metalloxiden bilden.  
• Kationenbelegung, Bindungsstärke Belegung der Austauscherplätze mit Kationen steht im Gleichgewicht mit der Bodenlösung und erfolgt nach Bindungsstärke sowie Wertigkeit der Metalle und ist pH-Abhängig. Viel Ca²+ in der Bodenlösung --> viel Ca²+ an den Austauscherplätzen...etc. Al³+ ist z.B. austauschstärker als K+ (einfach geladen) höherwertige Kationen binden stärker als niedrigwertige. bei gleicher Wertigkeit binden Kationen mit kleinen Ionenradii schwächer als Kationen mit großen.
• Metalloxide Sorbent im Boden, Oberflächenladung ist pH-Abhängig. Das ist eine chemische Verbindung eines Metalls mit Sauerstoff. besitzen einen Ladungsnullpunkt, welcher pH-Abhängig ist. Ist der pH<LNP so ist die Ladung positiv und ein Proton wird angelagert. Ist der pH>LNP so ist die Ladung negativ und ein Proton wird abdissoziert. z.B. Geothit (Eisenoxid)
• Huminstoffe/Organische Substanz Für Sorptionsprozesse wichtige Merkmale: Sorbent im Boden sehr hohe variable Ladung (1000-3000 mmol kg bei pH7) reaktive Liganden (Bindung an Tonminerale und Metalloxide möglich) offene, lockere Molekülstruktur (Ton-Humus-Komplexe, assoziierung mit Tonmineralen)
• Wie entsteht variable Ladung bei Sorbenten? Metalloxide besitzen eine variable Ladung, welche vom pH abhängig ist. Je nach dem ob der pH kleiner oder größer als der LNP ist, ist die Oberflächenladung positiv (Proton wird angelagert) oder negativ (Proton wird abdissoziert). Beim LNP sind gleichviele positive wie negative Ladungen vorhanden. Auch Huminstoffe besitzen eine sehr hohe variable Ladung, welche pH-Abhängig ist.
• Sorption (Ad- und Absorption) Adsorption: Sorption an der Oberfläche, i.d.R. häufiger vorkommend. Absorption: Sorbat (z.B. Metalloxid) gelangt in das Innere des Sorbenten (Huminstoff, offene Molekülstruktur)   Sorption ist die sicherste Begriffsbezeichnung!
• Sorptionsmessung Zur Ermittlung der Sorption eines Stoffes an die Bodenfestphase. Analog können Desorptionsversuche durchgeführt werden, wenn der Stoff bereits an die Festphase sorbiert ist. Batch-Versuche: Schütteln von Proben bei einem Boden:Lösungsverhältnis von 1:5 bis 1:100. Säulenversuche: Perkolation von Lösungen durch eine mit Boden gefüllte Laborsäule.
• Warum sind viele Sorptionsisothermen nicht linear? Welche Adsorptionsisothermen gibt es? Antwort: Da die Anzahl der Sorptionsplätze begrenzt ist.   Sorptionsisothermen beschreiben den Gleichgewichtszustand der Sorption eines Stoffes (Sorbat)  an einer Oberfläche (Sorbent). Man unterscheidet drei Adsorptionsisothermen: Linear: Gleichgewicht zwischen Lösungs- und Festphase ist Konstant. Langmuir: Sorptionskurve zeigt eine stetig zunehmende Sättigung der Sorptionsplätze (häufig). Freundlich: Ohne Abschätzung des Sättigungspunktes (selten).
• Was bedeutet der Koc-Wert? Beschreibt das Sorptionsvermögen in [mg/g] über Verteilungskoeffizient dividiert durch Anteil organischen Kohlenstoffs im Boden.
• Wann ist das Sorptionsvermögen hoch? Wenn pH hoch ist, Boden gekalkt Wenn KAK hoch ist Wenn viel Humus/Corg vorhanden ist
• Sorptionskinetik Sorptionsreaktionen verlaufen i.d.R. relativ schnell (min.-Std.), weisen aber auch eine geringe langsame Komponente auf, die tage-wochenlang anhalten kann (Sorptionskinetik). DIese Kinetik hat als Ursache: langsame Reaktionen bei Sorptionsvorgängen Ligandenaustausch Absorption Je mehr Humus als Sorbent, desto schneller die Reaktion
• Bound Residues Auch wenn Adsorptionsreaktionen reversibel sind, zeigen sie dennoch eine Hysterese auf. Diese gebundenen oder nicht extrahierbaren Rückstände sind chemische Zeitbomben. Diese Rückstände sind u.a. sehr stark an der Humusmatrix gebunden.
• Einfluss des pH auf die Cu- und Cd-Sorption an Geothit Grundsätzlich gilt, je niedriger der pH, desto geringer ist die Sorption von gelösten Stoffen an die Festphase. Cu wird gegenüber Cd schon bei pH 3 an Geothit sorbiert. Bei Cd setzt die Sorption erst bei pH 4 ein. Grund hierfür ist, dass Cu spezifische Bindungsplätze eingeht und somit der LNP gegenüber Cd verschoben vorliegt. Cd geht keinen Ligandenaustausch ein. Bei negtiver Oberflächenladung, wird ein Proton abdissoziert und ein Kation sorbiert. Geothit ist ein Metalloxid und hat folglich eine variable Ladung, welche jedoch in sehr niedrigen pH-Bereichen nicht mehr vorhanden ist.

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