Date post: | 14-Aug-2019 |
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3. Umweltkompartimente
Verschiedene Sphären der Erde
Atmosphäre
Biosphäre Pedosphäre
Hydrosphäre Lithosphäre
Äußere Gesteinshülle der Erde(Erdkruste, oberer Bereich Erdmantel)
Verschiedene Formen von Wasser auf der Erde(Ozeane, Seen, Flüsse,…), Schnee, Eis, Wasser in Erdkruste
Boden(durch Verwitterungvon Gesteinen usw. entstanden)
Gesamtheit des von Leben besiedelten Teils der Erde(0.5·109 km2; 71 % Weltmeere)
Umgebende Lufthülle
Funktionen der Atmosphäre
• Schutz vor Strahlung aus dem WeltallAbsorption von energiereicher Partikelstrahlung (Kernreaktionen),Röntgen- und UV-Strahlung (Strahlung im Bereich von 400 - 40 nmWellenlänge)
UV-A λ
= 400 - 320 nmUV-B λ
= 320 - 280 nm
UV-C λ
= 280 - 40 nm• Wärmepuffer (Durchlässigkeit für Sonnenlicht, Rückhaltung vonWärmestrahlung)
- Ausgleich zwischen Tag und Nacht- “hebt” durchschnittliche Temperatur von -18°C auf +15°C
• Wärmetransport (aus Äquatorgegenden in gemäßigtere Breiten) • Wassertransport• “Stickstoff-, CO2 - und Sauerstoffspeicher“• Schutz vor kleinen bis mittleren Meteoriten• “Atmosphärenchemie" (Photolyse, Radikalreaktionen, Oxidation)• Verteilung und Abbau von Schadstoffe
Mittlere Zusammensetzung von trockener Luftin der Troposphäre
Bestandteil Volumenanteil / %
Stickstoff 78,08Sauerstoff 20,95Argon 0,934Neon 0,001 8Helium 0,000 5Krypton 0,000 1Xenon 0,000 009Kohlenstoffdioxid 0,035Methan 0,000 17Distickstoffmonooxid 0,000 03Kohlenstoffmonooxid 0,000 02Wasserstoff 0,000 05Ozon * 0,000 001
* zeigen starke zeitliche Fluktuationen
Bleigehalt in der Atmosphäre
Bereich Gehalt (mg/m3)
Reinluftgebiete < 0,01Ländliche Gebiete < 0,2Ballungsgebiete 0,2... 2,0Nähe Verhüttungsbetrieb 1...20
Blutbleikonzentration (Erwachsener derzeit):10µg/100 mL
Schwebstoffe
Seesalzkerne Wasser Sand (in Nebel, Wolken)Ruß (in Rauch)
feste flüssige
Klima
Als Klima wird der mittlere Zustand der Atmosphäre an einem Ortbezeichnet.
Das Klima ist charakterisiert durch Lufttemperatur, Windrichtungund -stärke, Niederschlag usw.
Ursachen für Klimaschwankungen:
- veränderte Strahlungsverhältnisse der Sonne- Änderung der Erdoberfläche- Änderung der Erdlaufbahn- Änderung der Erdachse- Zusammensetzung der Atmosphäre
Folge:- Warm- und Kaltzeiten
bodennahe Temperaturen zwischen 9oC und 16oC- Auswirkungen auf Ökosysteme
z.B. Meeresspiegel während der letzten Eiszeit vorca. 15.000 Jahren etwa 170 m unter dem heutigen Niveau
Klimatrends
Probleme bei der Vorhersage:
- Messfehler bei Temperaturmessungen
- kaum Standardisierung für Messungen in verschiedenen Regionen
- kaum klimarelevante Daten aus der Vergangenheit(kein Bezug zu Bewölkung, Bodenbesetzung)
- fehlende Messpunkte in Meeresgebieten (auch Strömungen)
- fehlende Kenntnisse zu Wechselwirkungen zwischen Chemie
und Biologie
- Rückkopplungsmechanismen nicht vollständig erfassbar
- Effekt des Ozons:* „positives“ Ozon* „negatives“ Ozon
- Treibhauseffekt:* natürlicher Treibhauseffekt:* anthropogener Treibhauseffekt:
Einfluss des Treibhauseffektes und Ozons
Treibhauseffekt:
durch den Eintrag von CO2 , Methan, Ozon, Stickoxiden, Wasserdampfwird die Abstrahlung langwelliger Strahlung verhindert.
natürlicher Treibhauseffekt:Bedingung für irdisches Leben(Erwärmung um 32,4o )
anthropogener Treibhauseffekt:vermehrter Eintrag der Treibhausgase durch Verbrennung, Rodung der Wälder, mineralische Dünger, industrielle Produktion(Erwärmung um 0,6o )
- Effekt des Ozons:Störung der Atmosphärenchemie, Ozonbildung und –zersetzungführt zu Absorption der UV-C-Strahlung, Störung dieses Gleichgewichtes durch anthropogene Emissionen (FCKW, N2 O),
Eigenschaften des Ozons (O3 )
- farbloses Gas- Siedepunkt - 1120C- Ozonmolekül: 3 Sauerstoffatome im Winkel von 116,70,
Bindungslänge 0.1278 nm, stark delokalisierte Π
- Bindung- starkes Oxidationsmittel- stark endotherme Verbindung- absorbiert Strahlung im UV und IR-Bereich(in großen Höhen Absorption der harten UV-Strahlung der Sonne242 –
310 nm)
-kann photolytisch gebildet und auch zersetzt werden(O + O2 O3 , <242 nm , M / O3 + O 2 O2 , < 360 nm)
- Effekt des Ozons:Störung der Atmosphärenchemie, Ozonbildung und –zersetzungführt zu Absorption der UV-C-Strahlung, Störung dieses Gleichgewichtes durch anthropogene Emissionen (FCKW, N2 O),
Eigenschaften des Ozons (O3 )
- farbloses Gas- Siedepunkt - 1120C- Ozonmolekül: 3 Sauerstoffatome im Winkel von 116,70,
Bindungslänge 0.1278 nm, stark delokalisierte Π
- Bindung- starkes Oxidationsmittel- stark endotherme Verbindung- absorbiert Strahlung im UV und IR-Bereich(in großen Höhen Absorption der harten UV-Strahlung der Sonne242 –
310 nm)
-kann photolytisch gebildet und auch zersetzt werden(O + O2 O3 , λ<242 nm , M / O3 + O 2 O2 , λ< 360 nm)
Ozon in der Atmosphäre
ca. 10 km
Stratosphäreum 25 km
Troposphäre
Ozonschicht
Ozonverunreinigung
(„Gutes Ozon“)
(„Schlechtes Ozon“)
Ozonbildung
- 90% des atmosphärischen Ozons befinden sich in der Stratosphäre
- maximale O3 -Konzentration bei etwa 25 km Höhe
- maximale Konzentration: 1013 Moleküle/cm3
≡
770 μg/m3
≡
359 ppb
- Dobson-Einheit (Dobson-Unit, D.U.): bezeichnet die fiktive Dicke derOzonschicht unter Normalbedingungen (100 D.U. = 1 mm)
- zwischen Bildung und Zersetzung besteht ein sensibles Gleichgewicht,das durch anthropogene Emissionen (z.B. FCKW, NO2 , u.a.) gestört wird
Charakteristik der Ozonschicht
Dobson-Einheit (DE)
1 DE = 0,01 atm mm= 0,01 . 1,013 bar mm
100 DE entsprechen einer Ozonsäule von 1 mm Dicke.Die Gesamt-Ozonsäule, also die Ozonschicht, die entstünde, wenn das Ozon von ca. 300 DE aufNormalbedingungen (1013 mbar und 00C) gebracht würde, hat im Jahresmittel eine Dickevon nur ca. 3 mm
Stratosphärenchemie - Ozonschicht
= Bereich oberhalb der Tropopause (8 - 17 km Höhe)
- charakteristisch: energiereiche UV-C-Strahlung
- wesentliche Reaktionen:- Ozonbildung und Ozonzersetzung- Bildung des sehr reaktionsfähigen „Singulettsauerstoffs“, O(1D)
- UV-Adsorption führt zur Erwärmung der Stratosphäre
Stratosphäre: Ozonbildung
Startreaktion: O2 2 •O•
Bildung: •O• + O2 O3
Zersetzung: O3 •O•(1D) + O2
Nettoreaktion: •O• + O3 O2 + O2
M = Stoßpartner
h • ν
M
h • ν
Stratosphäre: Ozonabbau
Radikalerzeugungsreaktion: R-Cl •Cl + •R
Kettenreaktion: •Cl + O3 ClO• + O2
ClO• + •O• O2 + •Cl
Nettoreaktion: O3 + •O• 2 O2
Radikal-Übertragung: •Cl + RH HCl + •R
Speicherform: •ClO + •NO2 ClONO2
M = Stoßpartner
h • ν
M
Ozonabbau
- natürlicher Ozonabbau infolge UV-Strahlung
- katalytische Zersetzung
- große Rolle spielen organische Halogenverbindungen
- HCl lagert sich an Eiskristalle (Stratosphärenwolken!!) anund wird langsam in die Troposphäre transportiert
- radikalischer Rest •R reagiert zu unterschiedlichenVerbindungen weiter
Ozonloch
- extreme Kälte der Südpolarregionen, sehr geringer Luftaustausch,keine Sonneneinstrahlung im Polarwinter ⇒ Herausbildung„polarer stratosphärischer Wolken“ (HNO3 /H2 O-Aerosole)
- Anlagerung der wenig aktiven Verbindungen HCl und ClONO2und Umwandlung in Cl2 und HOCl (hypochlorige Säure)
- im Polarfrühling Spaltung in Chloratome
Ozonloch
Im Dunklen: Im Licht der Frühjahrssonne:- Bildung von polaren - Aktivierung ozonabbauender
stratosphärischen Teilchen wie Cl, ClO, NO, NOxWolken aus HNO3und H2 O
- Bildung von - Katalytischer OzonabbauReserviorgasen wie Cl2 , HOCl, HCl oderClONO2
Stratosphäre 9 km-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Troposphäre
KalterIsolierter
Polarwirbel
Antarktis
Troposphärenchemie (Photochemie)„Ozonsmog“
• In die Troposphäre wird fast nur Licht mit Wellenlängen > 300 nmeingestrahlt
• fast alle Gase sind in dynamische Kreisläufe einbezogen- geringe Energie des Lichts kann nur noch bestimmte
Bindungen spalten (z.B. •NO2 )- O3 -Bildung aus •NO2 läuft sehr schnell ab (mittlere Lebens-
dauer von NO2 an einem wolkenlosen Tag: 2 min)
• Produkte: O3 , •O• (1D), •OH-Radikal (reaktive Verbindungen, diezu vielfältigen Produkten weiterreagieren)
z.B. Abbau organischer Substanzen- Abspaltung von H-Atomen- Anlagerung an Doppelbindung- Anlagerung an aromatische Ringe
Photosmog, Ozonsmog, SommersmogBildung:
• Bildung von Photooxidantien durch starke Sonneneinstrahlungbei unbewegter Luft (Inversionswetterlage)
Ozon, •OH, HO2 •, RO2 •, NO2 •, •NO3 , N2 O5 , organische Nitrate,Methylperoxid, Peroxyacetylnitrat (PAN!)
Photosmog „Los Angeles Smog“
NO2 • + •O-O• •NO + O3•NO + O3 NO2 • + •O-O•
RH + •OH + •O-O• RO2 • + H2 ORO2 • + •NO RO• + NO2 •RO• + •O-O• HO2 • + RCHOHO2 • + •NO •OH + NO2 •
NO2 • + •OH HNO3HO2 • + HO2 • H2 O2 + •O-O•RO2 • + NO2 • RO2 NO2z.B.:CH3 COO2 • + NO2 • CH3 COO2 NO2
Peroxyacetylnitrat (PAN)M = Stoßpartner
h • ν, M
M
M
M
Chemische Lebensdauer organischerVerbindungen in der Atmosphäre
F|
Cl–C–Cl|
Cl
F|
Cl–C–F |
Cl
H|
Cl–C–F |F
F F| |
Cl–C–C–F| |
Cl Cl
F F| |
Cl–C–C–Cl| |F F
H H| |
F–C–C–Cl| |F H
CF3 –CF2 Cl
R 11 R 12 R 22
R 113 R 114
R 115 R 142b
FCKW - Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe
Chemisch inerte Gase (Verwendung als Treibgas, Kühlmittel, Kunst-stoffschäumung, Lösungsmittel)
Nomenklatur• R: „refrigerant“
• 100er Stelle: Zahl der C-Atome -1 z.B.• 10er Stelle: Zahl der H-Atome +1 R 1 3 4 a = CH2 F-CF3• 1er Stelle: Zahl der F-Atome asymmetrisch• restliche Atome: Cl 4 F-Atome• a, b, c: Asymmetrie -1 = 2 H-Atome
+1 = 2 C-Atome
R115a: CClF2 -CF3 !!R114: CClF2 -CClF2 !!
- Vermarktungsmengen FCKW 1988: 1,1 Mio t, 1992: 0,5 Mio t(fast vollständig in Atmosphäre),Problem: lange chemische Halbwertszeit (mehrere 10 Jahre)
Nomenklatur FCKW
FCKW: R 113 C2 F3 Cl3
Anzahl der F-Atome im Molekül
Anzahl der H-Atome im Molekül + 1
Anzahl der C-Atome im Molekül - 1,
restliche Atome sind Cl
F|
Cl–C–Cl|
Cl
F|
Cl–C–F |
Cl
H|
Cl–C–F |F
F F| |
Cl–C–C–F| |
Cl Cl
F F| |
Cl–C–C–Cl| |F F
H H| |
F–C–C–Cl| |F H
CF3 –CF2 Cl
R 11 R 12 R 22
R 113 R 114
R 115 R 142b
Zusammenhang zwischen den verschiedenenQuell-, Senken- und Reservoirsubstanzen
ClONO2HNO4 , HOCl
u.a.
Ozon-zerstörende
Zyklen
H2 O2HNO3HCl
HOxNOxClOx
CH3 ClH2 O, CH4 , H2N2 O, FCKW
CH3 CCl3
CH3 ClH2 O, CH4 , H2N2 O, FCKW
CH3 CCl3
Sonnenstrahlen
Quellsubstanzen Senkensubstanzen
Reservoir-substanzen
StratosphäreTroposphäre
Rückkopplungsmechanismen(positive und negative Rückkopplung)
• durch Wechselwirkung von Temperatur und Wasserdampfgehaltin der Atmosphäre
Erhöhung H2 O-Gehalt ⇒
Erwärmung• durch Wechselwirkung von Temperatur und Wasserdampfgehaltin der Atmosphäre
Wolkenbildung ⇒
Abkühlung• durch Wechselwirkung von Temperatur und Länge der Schnee-bedeckung in gemäßigten Breiten
Erwärmung• durch Abschmelzen von Eis wird Wasservolumen größer
⇒
Lösung von CO2 (Abkühlung)• verstärkte Verdunstung
⇒
starke Niederschläge ⇒
Einfluss auf Biogeochemie
Emissionen / Transmission / Immisionen
Emission: Übergang luftverunreinigender Stoffe in die Atmosphäre(„Spuckwert“)
Transmission: Vorgänge, die zur Verteilung der luftverunreinigendenStoffe in der Atmosphäre oder zu ihrer chemischenoder physikalischen Änderung führen
Immission: tatsächliche Schadstoffkonzentration am Ort derEinwirkung in der Atmosphäre, im Boden oderim Wasser (mg/m3) („Schluckwert“)
Natürliche Emissionen
• Stoffaustauschständiger Stoffaustausch zwischen der Atmosphäre mit derErdoberflächeWasser-, Stickstoff-, Phosphor-, Schwefelkreislauf
• Emissionen von Vulkanen: CO2 , SO2 , HCl, HF (CH4 , Aldehyde,Ketone, Alkohole, Benzol, Toluol), Asche, Staub (enthält Schwer-metalle und radioaktive Stoffe)
• Emissionen von Lebewesen: CO2 , Kohlenwasserstoffe, chlorierteKohlenwasserstoffe (auch Methylchlorid), Schwefelverbindungen,Stickoxide
⇒ aber: normalerweise keine Störung des Stoffgleichgewichts
Emissionennatürlichen und anthropogenen Ursprungs
Emission Natürlich (Mio t/a) Anthropogen (Mio t/a)
Kohlendioxid (CO2 ) 700000 22000Kohlenmonoxid (CO) 4000 550Kohlenwasserstoffe (C) 1400 90Methan (CH4 ) 1000 110Ammoniak (NH3 ) 1200 7Stickoxide (NO2 ) 770 53Schwefeldioxid (SO2 ) 20 150Lachgas (N2 O) 145 4
Vergleich ZusammensetzungUratmosphäre / Atmosphäre heute
Uratmosphäre heutige Atmosphäre
ca. 80% Wasserdampf 5% Wasserdampfca. 10% Kohlendioxid 0,033% Kohlendioxid
0,026% vorindustriell
ca. 5-7% Schwefelwasserstoff - Schwefelwasserstoffca. 0,5-1% Stickstoff 78,1% Stickstoff*ca. 0,5-1% Kohlenmonoxid 2⋅10-5% Kohlenmonoxid
- Sauerstoff 20,9% Sauerstoff
* trockene Luft
Vergleich:Gasfreisetzung und Änderung der Atmosphäre
natürlich:Zunahme O2 ca. 2,0 Mill. Jahre ca. 21%:200.000-300.000 Jahre 0.1% pro Jahr
anthropogen:Zunahme CO2 ca. 21%: 200-300 Jahre 0,1 % pro Jahr
rein quantitativ N>A, bei erdgeschichtlicher Betrachtung;bei menschheitsgeschichtlicher N<A
Wasserarten und Verteilung
- Oberflächenwasser (Wasser in Bächen, Flüssen, Seen, Meeren, Ozeanen)
- Wasserverteilung auf der Erde:97,4% Salzwasser
2,6% Süßwasser, davon77,2% Eis22,2% Grundwasser (bis 800 m Tiefe 9,9%, bis 4000 m Tiefe 12,3%)0,35% Seenwasser0,003% Flusswasser
- nur noch selten hat das in der Natur vorkommende Wasser Trinkwasserqualität
- Qualität von Höhe des Schadstoffeintrags abhängig
Wasserressourcen I
• Wasserverbrauch in der Neuzeit stark gestiegenIndustrie, Hygiene
(pro Kopf-Verbrauch/Tag: vorindustriell: 10...30 L1950: 85 L2000: 325 L
• Gesamtwasservorräte der Erde sind konstant- 1,38 Mrd km3, davon 97,4 % Meerwasser- nur 2,6 % Süßwasser- nur 0,3 % zur Trinkwassergewinnung geeignet
• ca 1/7 der Gesamtwassermenge befindet sich im Wasserkreislaufaus Verdunstung und Niederschlag
- Wasserkreislauf wird durch Sonneneinstrahlung in Gang gehalten- Verdunstung auf Landgebieten wird durch Pflanzen bestimmt
durchschnittlicher Niederschlag (D): 800 L/m3 /a Regen, Schnee
Wasserressourcen II
• Wasserbilanz des Festlandes wird durch Klimazonen bestimmt
humid ⇒
Niederschlagsmengen sind größer als dieVerdunstung (z.B. Tropen)
arid ⇒
es verdunstet mehr Wasser als durch Niederschlägeabgeregnet wird (Wüsten)
niveal ⇒
Dauerfrostregion
• Niederschlagsmenge wird durch Luftströmungen und Temperaturgesteuert
Bundesrepublik: jährlich ca. 300 Mrd. m3 Niederschlag
Funktionen des Wassers
• wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens
• Funktionen im ÖkosystemStofftransport, Wärmepuffer, Wärmetransport, „Gaswäsche“ etc.
• Bedeutung für Lebewesen: Transportmittel, Energieerzeugung(Photosynthese !!)
pH – Werte verschiedener Flüssigkeiten
Flüssigkeit pH – Wert-------------------------------------------------------------------------------
Magensaft 0.9 ... 2,3Darmsaft 8,3Harn 4,8 ...7,4Blut 7,4Oberflächenwasser 7,5 ...8,2Regenwasser (Durchschnitt) 4,1Zitronensaft 2,0Tomatensaft 4,0Seifenlauge 8,2 ... 8,7
Wasser
Molekül Bindung
Dipolmoment Wasserstoffbrückenbindungen
Anomalien des Wassers
starke Unterschiede in den chemisch-physikalischen Eigenschaften analog aufgebauter Verbindungen in gleicher PSE-GruppeH2 O / H2 S / H2 Se / H2 Te
* Wasser flüssig* aus Extrapolation Fp. – 100 0C, Sdp: - 80 0C
Siede/Schmelzpunkte Dichteanomalie
Dichteeigenschaften und thermische Eigenschaften werden auf Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zurückgeführt
Gewässereinteilung nach Mineralsalzgehalt
Gewässer Mineralsalzgehalt
Süßwasser bis 1 g/kg
Salzhaltiges Wasser 1 - 25 g/kg
Meerwasser 25 - 50 g/kg
Salzwasser > 50 g/kg
Physikalische Eigenschaften von Wasser und deren Bedeutung für die Umwelt
Eigenschaft Erläuterung Umweltrelevanz---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Dichte größte Dichte 4oC, Seen frieren von der Oberfläche zu,
Volumenausdehnung bei Gefrieren Sprengung von Gesteinen (Verwitterung)
Schmelz- und relativ hoch Existenz von flüssigem Wasser auf ErdeSiedepunkt
Wärmekapazität größte WK aller Flüssigkeiten Pufferung extremer Temperaturschwankungen,Speicherung großer Wärmemengen
Wärmeleitfähigkeit gering vergl. mit Metallen erschwert vollständiges Zufrieren von Gewässern
Verdampfungsenthalpie größte VE aller Flüssigkeiten kühlender Effekt der Transpiration bei Pflanzen, Tieren, Menschen
Schmelzenthalpie 6,01 kJ/mol geringe Gefrierpunktserniedrigung bei salzhaltigem Wasser
Oberflächenspannung größte OS aller Flüssigkeiten Tropfenbildung in Wolken und Regen ,außer Hg
Dipolmoment/ hohes Dipolmoment, Lösungsmittel, Adsorption, TransportDielektrizitätskonstante hohe Dielektrizitätskonstante
Lichtabsorption hoch in Bereichen des IR, Photosynthese, natürlicher Treibhauseffektgering im Sichtbaren 180-780 nm
Wasser:
- Vorkommen in Hydrosphäre, Atmosphäre, Lithosphäre- fest, flüssig, gasförmig- Wasserkreislauf (Treibhauseffekt)- Transportmittel, Lösungsmittel- Spezifische Stoffeigenschaften:z.B. * hohe Oberflächenspannung
* Dielektrizitätskonstante* Verdampfungs- Schmelzwärme* Dichteverhalten* Stoff der bei Normaltemperatur flüssig ist mit
niedrigster Molmasse
Gesamtwasserbedarf (D):
- 66% Elektrizitäts- und Wärmekraftwerke- 22% Industrie- 3% Landwirtschaft- 9% Kleingewerbe, Haushalt
Abhängigkeit der Wasseraufbereitungstechnologie
- wozu soll Wasser genutzt werden (Trink-oder Brauchwasser)
- Anteil organischer und anorganischer Schadstoffe
- Salzkonzentration des Wassers
- Anteil an Schwebstoffen und Kolloiden
- bei Grund- und Quellwässern:* Abhängigkeit von durchströmten Formationen
(Zusammensetzung der Gesteine und Minerale)* von der Verweilzeit im Boden, Bodenarten, Korngröße, Acidität,
Gehalt an organischem Material (Huminstoffe, DOC)
Methoden der TrinkwasseraufbereitungAufbereitung ist notwendig wegen- Stoffen, die gesundheitsschädigend sind- Stoffen, die geruchs- oder geschmacksverändernd sind- Stoffen, die zu technischen Störungen führen
Arbeitsschritte der Aufbereitung von Grundwässern:- Entfernung von Schweb- und Trübstoffen- Belüftung zum Sauerstoffeintrag- Enteisenung, Entmanganung- Einstellung des pH-Wertes- Entzug von Calciumionen- Entfernung gelöster organischer Stoffe- Desinfektion (Zugabe von Chlor, Chlordioxid u.a.)
Technologische Trinkwasseraufbreitung
Grenzwerte für chemische Stoffe
Wasserbelastung
• 3/4 des Abwassers ist Kühlwasser ⇒ „thermische Verschmutzung“• Salzfrachten in Gewässern
⇒ Sulfate, Chloride, Nitrate, Phosphate⇒ Quellen: Salzbergbau
Weser: 27 g Salz pro Liter Flußwasser ⇒ salziger als dieOstsee, entspricht 5,5 Mio. t Salz im Jahr ⇒ Kalibergbau
⇒ Phosphat-, Nitrateintrag ⇒ Nährstoffüberangebot⇒ „Algenblüte“ - „Eutropierung der Gewässer“
• Schwermetallbelastungen⇒ Quecksilber, Cadmium, Blei⇒ Rückgang in den letzten Jahren durch strenge Gesetzgebung⇒ relativ schnelle Anreicherung in Klärschlämmen
Belastung des Wassers durch Chemikalien in Waschmitteln
- Phosphate, Phosphatersatzstoffe (Bindung der Kalziumionen)
- Natriumperborat (Bleichmittel)
- Magnesiumsilicat, EDTA (Bleichmittelstabilisatoren)
- Tenside: anionische, kationische, (Reinigungsmittel)
- Silikone, Trialkylmelamin-Derivate (Schaumregulatoren)
- Carboxymethylcellulose (Vergrauungsinhibitoren)
- Cumarin, Furan-, Stilben- oder Triazofarbstoffe (Optische Aufheller)
- Enzyme (Beseitigung z.B. von Blutflecken)
Zusammenwirken einiger für die Bodenentwicklung bedeutsamer Faktoren
Bodenbestandteile
Boden
Oberste, belebte Schicht der Erdoberfläche, die durch Gesteins-verwitterung entsteht.
feste Bestandteile: SiO2 (gemittelter Anteil: 58 %), Al2 O3 (16 %),Eisenoxide (7 %), CaO (5,2 %), MgO (3,8 %),Na2 O (3,9 %), K2 O (3,1 %),Spurenelemente (3,0 %), Organika
Eigenschaften von Böden werden bestimmt durch:
- das Ausgangsgestein, - die Art der Verwitterungsvorgänge, - ablaufende biologische Prozesse (Mikrobiologie, Pflanzenanbau),- Klima (Temperatur, Niederschlag)- eingetragene Kontaminationen
Verwitterungsprozesse
Verwitterung:Umwandlung von Gesteinen in der Erdkruste durch Wechselwirkung mit Atmosphäre, Hydrosphäre und Biosystemen
- Physikalische VerwitterungRasche, große Temperaturunterschiede- unterschiedliche thermischeAusdehnungskoeffizienten, Druckzunahme durch Kristallisation von Eis
- Biologische VerwitterungAusscheidungs- und Zersetzungsprodukte biologischer Systeme(Mensch, Pflanzen, Tiere, Mikroorganismen)
- Chemische VerwitterungHydrolyse, Carbonisierung, Reduktion, Oxidation, Auflösung, Kristallisation
Verwitterungsreaktionen (Beispiele)Kalk:
CaCO3 + H2 O + CO2 Ca2+ + 2HCO3-
CaCO3 + H2 O Ca2+ + HCO3- + OH-
Quarz:
SiO2 + 2H2 O H4 SiO4
Anhydrit:
CaSO4 Ca2++SO4-
Feldspat:
NaAlSi3 08 + 11/2 H2 O + CO2 Na+ + HCO3- + 2H4 SiO4 + 1/2 Al2 O5 (OH)4
Dolomit:
CaMg(CO3 )2 + 2H2 O Ca2+ + Mg2+ + 2HCO3- + 2OH-
Boden als Puffer
Carbonatpuffer:
CO32- + H+ →
HCO3
-
HCO3- + H+ → CO2 + H2 O
Austauscherpuffer:
Tonmineral - O- Me+ + H+ → Tonmineral- O- H+ + Me+
[Al6 (OH)15 ]3+ + 15 H+ + 21 H2 O → 6 [Al(H2 O)6 ]3+
Eisenpuffer:
FeOOH + 3 H+ + 4 H2 O → [Fe(H2 O)6 ]3+
Tongestein I
Bezeichnung für Sedimente (oft auch für Bodenarten), die sowohl plastisch verformbare Tone, als auch harte Tonsteine enthalten, in einem Korngrößenbereich von Ø < 2 μm
Summenformel für TonmineraleAl1,55 Fe0,20 Mg0,25 (OH)2 Si3,5 Al0,5 O10 x K0,8 x Me0,17 (H2 O)n
Prozesse der Tonbildung:- Zerkleinerung der primären Gesteine und Minerale
- Transport und Sedimentation
- Selektions- und Differenzierungsprozesse
- Neu- und Umbildungen im wässrigen Verwitterungs-und Sedimentationsmilieu
Humus (lat. Boden) -ein wesentlicher Bestandteil des Bodens
- Gesamtheit der im Boden befindlichen abgestorbenen pflanzlichenund tierischen (demnach organischen) Substanzen
- besteht aus hochmolekularen Huminstoffen (z.B. Huminsäuren)uneinheitliche makromolekulare Struktur, Biopolymere
- „Ionenaustauschfunktion der Huminsäuren“
- Anteil an Huminstoffen• Ackerböden 1...2%• Schwarzerde 2...7%• Wiesen ca. 10%• moorige Böden 10...20%
Huminstoffe
HumineMM: > 50.000Löslichkeit: unlöslich
Fulvinsäuren Huminsäuren(Fulvosäuren)MM: MM:800 – 9.000 9.000 – 50.000Löslichkeit Löslichkeit: im sauren und basischen Bereich im basischen Bereich
- finger- print:* Ladung/Masse Verhältnis* Gehalt an Aromaten/Aliphaten* Art und Gehalt an Anorganika, insbesondere Eisen* Art und Gehalt an funktionellen Gruppen* Einbau und Gehalt an Heteroatomen N, S* Protonenaustauschkapazität* Strukturänderung bei pH-Änderung
Huminsäuren• Postmortale Substanzen (Humine; Fulvin- und Huminsäuren)• ubiquitäres Auftreten (Aquifer, Oberflächenwässer, Böden)• unterschiedliche Strukturen und Funktionalitäten• Polyelektrolyte• Komplexierung von Schwermetallen
Strukturvorschlag nach H.R. Schulten, M. Schnitzer, Naturwissenschaften 80 (1993), 29.
Umwelteinfluss von Huminsäuren
- unterschiedliche Genese
- Bindung, Rückhaltung organischer und anorganischer Stoffe
- Nahrung für Mikroorganismen
- gelöster und kolloidaler Transport von Organika und Schwermetallen
- Nährstoffpuffer für Pflanzen
Die beim Menschen endende Nahrungskette
Belastungspfade/Transferfaktoren(nach Haunold, 1987)
Einträge in den Boden
- industriellen und landwirtschaftlichen Prozessen- Verkehrsträger- Lebensprozesse der Organismen- Rohstoffgewinnung (z.B. Erz-und Kohleabbau)
Landwirtschaft:- Düngemittel- Pflanzenbehandlungsmittel und Schädlingsbekämpfungsmittel
Biozide
Stoffe, die Pflanzen während ihres Wachstums vor Krankheitenund tierischem Schädlingsbefall schützen, die Konkurrenz andererPflanzen um Licht und Nährstoffe unterbinden und die eingebrachtenErntemengen vor Verlusten schützen sollen.
- oft wird verallgemeinernd die Bezeichnung Pestizide verwendet
Biozide / Pestizide
- Herbizide- Insektizide- Sterilantien- Fungizide- Akarizide- Molluskizide- Rodentizide- Ovizide- Repellents
Ablagerung von Anorganika und Organika in Böden und Sedimenten- Böden und Sedimente sind temporäre Senken für Schwermetalle und Organika, aber keine Endlager
- Löslichkeit bestimmt wesentlich den Transport oder die Abscheidung- Kolloidbildung beachten
Prozesse der Ausscheidung aus Wasser- Fällung- Mitfällung- Sorption (Absorption, Adsorption, Chemisorption)- Ionenaustausch (siehe Tonminerale z.B.)- Komplexbildung durch am Sediment sorbierte Organika- Abbau von Organika nach Sorption durch anaerobe Mikroorganismen
Kreislauf der Schwermetalle
Beziehung zwischen dem Mobilitätsstatus von Schwer-metallen und gebräuchlichen Extraktionslösungen
Gesamtgehalte
langfristig verfügbarTotalaufschluss
mittelfristig verfügbar KönigswasserHCl
kurzfristig verfügbar HNO3(hochmolar)
EDTADTPA
NH4 OAcNH4 NO3MgCl2CaCl2
Bodensättigungsextrakt