2.2.1. Allgemeiner Aufbau des IER-Kollektors
Aufgebaut ist der IER-Kollektor aus 50 cm langem, im Innendurchmesser 10 mm weitem, gewebeverstärktem Kunststoffschlauch, auf den ein Kunststofftrichter mit einem Durchmesser von 190 mm aufgesetzt wurde. Das untere Ende des Schlauches wurde mit einer durch ein Gummiband fixierten Nylongase verschlossen.
Zur Fixierung der Nährstoffe werden die Schläuche mit 50 g des Mischbetttauschers Amberlit MB 50 befüllt. Zum Schutz vor Insekten und Laubeintrag wird über dem Ionentauschermaterial ein Pfropfen aus vorgeglühter Glaswolle eingebracht (Abb. 2.1).
Die Buchstaben 1-5 in der Abbildung bezeichnen die jeweils 2 cm starken Schichten, in welche das Ionentauscherfüllmaterial zur Analyse im Labor zerlegt wurde.
Im folgenden ersten Abschnitt werden die Verfahren beschrieben, die für alle durchgeführten Versuche gelten. Wurden davon abweichende Versuchsbedingungen geschaffen, werden diese bei der Beschreibung der Versuche erläutert.
2.2.2. Allgemeine Methoden
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Abb. 2.1: IER-Kollector im Laborversuch und im Freilandeinsatz
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Zur Bestimmung der Kapazität und den Blindwertbestimmungen wurden Batchexperimente mit anschließender Extraktion der Ionentauscher durchgeführt, welche weiter unten ausführlich beschrieben werden.
Für die Perkolations- und Fixierversuche sowie den Regensimulationsversuchen wurden die IER-Kollektoren mit unterschiedlich konzentrierten Lösungen beschickt. Aufgrund des großen Wasserbedarfs für die Versuchsdurchführung wurden alle Lösungen mit Wasser aus den Klimaanlagen (AC-Wasser) aufgefüllt. Zu Beginn der Versuche wurde eine Konzentrationsbestimmung der Lösungen durchgeführt.
Nach der Beladung der Ionentauscher wurden in allen Versuchen 5-Ionentauscherschichten mit jeweils ca. 2 cm Schichtstärke den Röhren entnommen, gewogen und für die Extraktion aliquotiert. In allen Versuchen wurden mit 1.Schicht die Schichten bezeichnet, welche dem Eintrag am nächsten ist.
Die Bezeichnung wurde mit 2. bis 5. Schicht nach unten fortgesetzt und 5.Schicht bezeichnet die Schicht direkt über der Nylongaze.
Extrahiert wurden die Ionentauscherproben mit einer 1 molaren Schwefelsäure für die Bestimmung von Aluminium (Al), Kalzium (Ca), Eisen (Fe), Kalium (K), Magnesium (Mg), Mangan (Mn), Natrium (Na) und Phosphor (P) am ICP oder einer 1 molaren Kochsalz-Lösung für die Messungen von Nitrat-Stickstoff (NO3-N) am Continiuos-Flow-Analyser (Bran&Lübbe).
Bei allen Versuchen wurden jeweils drei Extraktionsstufen durchgeführt. Lediglich bei den Versuchen mit den sich verdünnenden Lösungen wurden zwei Extraktionsstufen durchgeführt. Dazu wurde pro Extraktionsstufe der Ionentauscher mit jeweils 50 ml des entsprechenden Extraktionsmittels versetzt und 30 min extrahiert.
Bestimmt wurden die Ionenkonzentrationen an einem ICP-OES 2000 der Firma Perkin Elmer. Nitrat wurde am Continius-Flow-Anayser der Firma Bran & Lübbe bestimmt. Alle Analysen wurden im Labor des Sonderforschungsbereiches (SFB) 552 in Palu an der Universität Tadulaku durchgeführt.
Durchführung der Versuche im Einzelnen:
2.2.3. Kapazitätsbestimmung
Zur Kapazitätsbestimmung wurden drei Proben mit je 5 g Ionentauschermaterial in eine 100 ml PE-Flasche eingewogen und anschließend mit 100 ml einer 2 Molaren Kochsalzlösung versetzt, 30 min.
geschüttelt und die überstehende Lösung dekantiert. Anschließend wurde der Ionentauscher dreimal mit jeweils 50 ml Methanol gewaschen und danach mit 50 ml einer 1 Molaren Schwefelsäure versetzt, 30 min geschüttelt und die Natriumkonzentrationen am ICP bestimmt.
2.2.4. Frachtabschätzung
Zur Abschätzung der durch Niederschläge eingetragenen Ionenfracht wurden mittlere und hohe Konzentrationen aus Niederschlagsuntersuchungen in Bulili (Nicklas 2006) herangezogen und Ladungsbezogen auf Na-Ionen berechnet. Die berechnete Menge von 500 mg Kochsalz wurde in 5 l Wasser gelöst und durch mit 25 g gefüllten IER-Kollektoren perkoliert. Der Versuch wurde an drei
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Wiederholungen durchgeführt und die Konzentrationen der aufgegebenen und ablaufenden Lösung am ICP bestimmt.
2.2.5. Fixierungs- und Perkolationsversuche
Niederschlagswässer sind Mischungen mehrerer Elemente und Nährstoffe sowie Schadstoffe in unterschiedlichen Konzentrationen. Die Konzentrationen der Elemente und Nährstoffe unterliegen einer starken Schwankung im Regenwasser und werden während der anhaltenden Niederschlagsdauer durch Verdünnung geringer.
Um die Eignung des Ionentauschers zur Fixierung verschiedener Ionen unterschiedlicher Konzentrationsbereiche sowie die Bindungseigenschaften der Ionen am Ionentauscher zu überprüfen, wurde eine hochkonzentrierte Kochsalzlösung mit 850 mg NaCl in 5 l gelöst sowie jeweils 5 l unterschiedlich konzentrierte Multielementlösungen mit den Elementen Al, Ca, Fe, K, Mg, Mn und Na durch die IER-Kollektoren innerhalb von 4 Stunden perkoliert. Von den Lösungen wurden vor und nach der Perkolation Proben genommen und der Grad des Ionenentzuges berechnet.
Um Informationen zur Remobilisierung der fixierten Ionen zu erhalten wurde die Ionentauscherfüllung der Sammelröhren wie oben beschreiben zerlegt und extrahiert. Die Wiederholungen der Kollektoren wurden mit Sammler 1 bis Sammler 3, die Schichten der IER-Kollektoren mit Schicht 1-5 bezeichnet, wobei Schicht 1 für die oberste Schicht und Schicht 5 für die unterste (dem Ablauf nahen) Schicht steht.
2.2.6. Blindwerte
Zur Bestimmung der Blindwerte des Ionentauschermaterials wurden Blindwertläufe aus den Fixier- und Perkolationsversuchen, der Kapazitätsbestimmung als auch der Batchexperimente entsprechend aufgearbeitet.
2.2.7. Fließgeschwindigkeiten
Überprüft wurde, ob Starkregenereignisse mit hohen Fließgeschwindigkeiten im IER-Kollektor einen Einfluss auf die Fixierleistung der Kollektoren zur Folge haben. In Variante 1 wurden drei IER-Kollektoren mit senkrechtem Fixierschlauch aufgebaut.
In Variante 2 wurden drei IER-Kollektoren knapp über der IER- Füllung abgeknickt und der Schlauch mit der IER-Füllung senkrecht nach oben gebogen, so dass ein U-förmiger Schlauch entstand. Durch die Verengung des Querschnitts und der entstehenden Wassersäule wurde perkolierendes Wasser stark gebremst und damit die Verweil- und Reaktionszeit im Sammler erhöht.
Als dritte Versuchsvariante wurden 3 Netze mit jeweils 50 g Ionentauschern (IER-Kugeln) befüllt und für 12 Stunden ohne Schüttelbewegung (entsprechend einem Auffangkanister im Gelände) in die zu untersuchende Lösung gebracht. Bei dieser Variante wurde davon ausgegangen, dass anfallendes Regenwasser in einem ausreichend großen Behältnis gesammelt wird.
In Variante 1 und 2 wurden zur Simulation eines Starkregenereignisses 2 l einer Multielementlösung innerhalb von 14 min durch die geknickten und innerhalb von 8 min und 9 min durch die gestreckten IER-Kollektoren perkoliert. Die Lösungsmenge, bezogen auf die Trichterfläche, entspricht
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Regenereignissen rund 5mm – 8mm pro min oder 300-478 mm pro Stunde. Regenereignisse in diesen Dimensionen sind auch in tropischen Regionen selten bis auszuschließen. Die Ionentauscherfüllung der IER-Kollektoren wurde wie beschrieben aufgearbeitet. Aus dem Ionentauscher der Beutel wurde ein Adäquat eingewogen und mit 50 ml 1 molarer Schwefelsäure versetzt. Die Extraktion erfolgte in dreimaliger Wiederholung.
Zusätzlich wurden Proben der Aufgabelösung sowie vom Perkolat genommen.
2.2.8 Verdünnungs- und Durchwaschungsversuch
Während des Verlaufs eines Niederschlagsereignisses nehmen Konzentrationen im Niederschlagswasser ab. In diesem Versuch sollte untersucht werden, ob eine stetige Verdünnung zu einer verminderten Fixierleistung oder gar einer Mobilisierung der Ionen auf das Ionentauschermaterial zur Folge haben. Dabei wurden an 3 IER-Kollektoren jeweils 2 l einer Multielementlösung mit 5 g Totalgehalt der zu untersuchenden Elemente angesetzt, davon 1 l auf den IER-Kollektor gegeben und der Messkolben erneut auf 2 l aufgefüllt. Insgesamt wurden 5 Verdünnungsschritte an der Lösung durchgeführt. Zur Kontrolle wurde eine konstant konzentrierte Lösung durch 3 IER-Kollektoren perkoliert. Der Versuch wurden blindwertbereinigt.