Ein neuer Ansatz zur Ermittlung des Eisenoxid-Gehalts von Aquiferen mit reaktiven Tracern

摘要: Unter aneroben Bedingungen kann Fe(III) als Elektronenakzeptor fur biochemische katalysierte Redoxreaktionen, wie z.B. dem Abbau von Schadstoffen im Zusammenhang mit „Natural Attenuation“, fungieren. Bisher dienten nasschemische Aufschlusse zur Quantifizierung der Oxidationskapazitat (OXC) durch Fe(III). Im Feld ist, bedingt die Heterogenitat des Untergrunds, Erfassung Fe(III)-Gehalts schwierig. Zudem zeigen neuere Resultate aus Literatur, dass Rate und Elektronenumsatz bei mikrobiologischen Fe(III)-Reduktion spezifische Oberflache Eisen(hydr)oxide kontrolliert wird. In dieser Arbeit wird eine neuer Ansatz reaktiven Eisen(hydr)oxid-Oberflache, basierend auf inversen Interpretation Durchbruchskurven Tracer Fluorid, Molybdat Phosphat, selektiv Eisen(hydr)oxid-Oberflache sorbieren, vorgestellt. Aus konnte mittels einer Korrelation zwischen bioverfugbarem spezifischen Mineraloberflache bioverfugbare OXC abgeleitet werden. Die den Experimenten beobachtete unvollstandige Reduktion eingesetzten Fe(III)-Minerale einem kinetischen Model interpretiert Ausbildung mineralischer Passivierungsschichten erklart Bei Entwicklung Tracermethode Bestimmung wurde zunachst an synthetischen Laborreferenzsystemen Zuverlassigikeit Ansatzes uberpruft. Quarzsand α-FeOOH (Goethit), α-Fe2O3 (Hamatit) Fe3O4 (Magnetit) beschichtet Eigenschaften Materialien N2-BET, 5 M HCl-Aufschluss, Rasterelektronenmikroskopie Oberflachentitrationen untersucht. Modellierung Oberflachenladungscharakteristik eisenoxidbeschichteten Quarzsanden zeigte sich, weder ein einfaches Patch-Modell noch Mixed-Modell in Lage waren, Ladungseigenschaften binaren richtig wiederzugeben. Statt dessen war genaue quantitative Beschreibung pH-abhanigigen Oberflachenladung Mixed-Patch-Modell notwendig. Unterschiede Berechnung Patch-Modell, Mixed-Patch Modell experimentellen Daten so gering, Sorptionseigenschaften Traceranionen Oberflachenkomplexierungsmodllen verwendet Einflus Quarzoberflache vernachlassigt werden konnte. Fur Tracerdurchbruchskurven ist Kenntnis Sorptionskapazitat ca Anionen unerlasslich. Batchversuchsdaten reinen Eisen(hydr)oxiden wurden Sorptionsisothermen Phosphat bestimmt phanomelogischen mechanistischen Modellen interpretiert. Diese Untersuchungen zeigten, Literatur verbreiteten Parametersatze Gleichgewichtskonstanten Oberflachenkomplexierungsreaktionen zwar prinzipiellen Verlauf Sorpitonsisotherme wiedergeben, Aussagen jedoch ungeeignet sind. Erst nach Anpassung Reaktionskonstanten FITEQL 3.1, Parameteroptiomierungsalgorithmus, befriedigende Isothermen Modellrechnungen erzielt Laborsaulen, beschichteten Sanden befullt Bromid Br-, Ermittlung Transportparameter, insbesondere Porositat, Fluorid F-, MoO4 2- PO4 3- aufgenommen. Momentenanalyse objektiv Retardierung R ermittelt, Sorpitonskapazitat ermoglicht. Experimente Laborreferenzsystem Werte reaktive beste Ubereinstimmung Resultaten klassischen Verfahren erbrachte. Molybdat-Durchbruchskurven tendenziell immer kleinere was vermutlich einen mehrstufigen Sorptionsprozess zuruckzufuhren transportkontrollierten Saulenversuchen zu unvollstandigen Oberflachenbelegung fuhrt. Auswertung Fluorid-Durchbruchskurven erbrachte normalerweise Oberflache, uber lag, wobei Unsicherheiten grosen Fehlern Oberflachenberechnung fuhrten, sodass Rahmen Fehlergrenzen ubereinstimmten. Neben Laborversuchen ebenfalls zwei naturliche Sande Sandgruben Depenau Aukrug, Schleswig-Holstein verwendet, um Ubertragbarkeit Methode Systeme demonstrieren. Aukrug-Sand stimmte gemessen N2-BET (AS=(0,63 ± 0,29) m2/g), gut ermittelt reaktivem Tracer, uberein (AR=(0,44 0,06) wahrend Depenau-Sand viel (AR=(0,31 0,04) m2/g) (AS=(3,12 0,31) wurde. Differenz andere Mineralphasen Eisen(hydr)oxide, Feinkornfraktion auftreten, zuruckgefuhrt spezifischer mikrobiell reduzierbarem Anteil Sediments, Fe(III), zuruckgeschlossen Um Zuverlassigkeit dieses uberprufen, Methodenvergleich nasschemischen Extraktionsverfahren (5 HCl, Ti(III)-EDTA) sorptionsreaktiven Tracerexperimenten durchgefuhrt. diesen ermittelten tatsachlich Geobacter metallireducens Oxidation Toluol unter Fe(III)-reduzierten umgesetzte Elektronenmenge verglichen. Das Versuch verwendete gering kristalline Eisenoxid (2-line Ferrihydrit) vollstandig aufgeschlossen hatte 68 7 meq. Tracertests konservativem ergab sechsfach 11 2 meq prognostizierte damit besser tatsachlichen Elektronentransfer, Eisen- (21 13 meq) Toluolbilanz (25 meq). Als Ursache Fe(III)-Umsetzung Fallung Fe(II)-haltiger Minerale (Magnetit, Siderit, Vivianit, Pyrit) Eisen(hydr)oxidoberflache, bestatigt thermodynamische Gleichgewischtsrechnungen REM-Aufnahmen, Zugang Mikroorganismen zum verhindern, angesehen. Basierend Erkenntnis zeitliche Reaktionskinetik einfachen Modellansatz beschreiben Der Ansatz, reaktiver Sedimenten Aquiferen ermitteln, erlaubt integrale das Langzeitverhalten Abstromfahnen Altlaststandorten wichtigen Kenngrose, implizit Mittlung Grundwasservolumenstrome stattfindet. Anwendbarkeit Verfahrens einfache Systeme, bestehend eisenoxidhaltigen Quarzsanden, Einsatz sind Reihe moglichen Storgrosen berucksichtigen. Insbesondere Sorption Feststoffoberflachen (z.B. Tonminerale, Metalloxide) Uberschatzung fuhren. Auch heterogenen problematisch sein Tracerdaten erschweren oder verhindern. Laborsystemen Moglichkeit bioverfugbaren belegt Ob sich diese auch Gelande verwenden last, hangt Eisen(hydr)oxid-Anteil geochemische Randbedingungen ab. Falls Passivierung Elektronenakzeptors Mineralfallung bestatigen sollte, inorganische Grundwasserinhaltsstoffe, beeinflussen, bedeutsam. Aber organische Konstituenten, Eisen komplexieren konnen, spielen entscheidende Rolle Langzeitverfugbarkeit Elektronenakzeptor.