Verschiedene Sphären der Erde

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 Verwitterung

von 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 Weltall

Absorption von energiereicher Partikelstrahlung (Kernreaktionen), Röntgen- und UV-Strahlung (Strahlung im Bereich von 400 - 40 nm Wellenlänge)

UV-A λ = 400 - 320 nm UV-B λ = 320 - 280 nm UV-C λ = 280 - 40 nm

• Wärmepuffer (Durchlässigkeit für Sonnenlicht, Rückhaltung von Wärmestrahlung)

- 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 Luft in der Troposphäre

Bestandteil Volumenanteil / %

Stickstoff 78,08

Sauerstoff 20,95

Argon 0,934

Neon 0,001 8

Helium 0,000 5

Krypton 0,000 1

Xenon 0,000 009

Kohlenstoffdioxid 0,035

Methan 0,000 17

Distickstoffmonooxid 0,000 03

Kohlenstoffmonooxid 0,000 02

Wasserstoff 0,000 05

Ozon * 0,000 001

* zeigen starke zeitliche Fluktuationen

Bleigehalt in der Atmosphäre

Bereich Gehalt (mg/m

)

Reinluftgebiete < 0,01 Ländliche Gebiete < 0,2

Ballungsgebiete 0,2... 2,0 Nähe 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 Ort bezeichnet.

Das Klima ist charakterisiert durch Lufttemperatur, Windrichtung und -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 9^oC und 16^oC - Auswirkungen auf Ökosysteme

z.B. Meeresspiegel während der letzten Eiszeit vor

ca. 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, Wasserdampf wird die Abstrahlung langwelliger Strahlung verhindert.

natürlicher Treibhauseffekt:

Bedingung für irdisches Leben (Erwärmung um 32,4^o )

anthropogener Treibhauseffekt:

vermehrter Eintrag der Treibhausgase durch Verbrennung,

Rodung der Wälder, mineralische Dünger, industrielle Produktion (Erwärmung um 0,6^o )

- Effekt des Ozons:

Störung der Atmosphärenchemie, Ozonbildung und –zersetzung führt zu Absorption der UV-C-Strahlung, Störung dieses

Gleichgewichtes durch anthropogene Emissionen (FCKW, N₂ O),

Eigenschaften des Ozons (O

)

- 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 Sonne 242 – 310 nm)

-kann photolytisch gebildet und auch zersetzt werden (O + O₂ Î O₃ , <242 nm , M / O₃ + OÎ 2 O₂ , < 360 nm)

- Effekt des Ozons:

Störung der Atmosphärenchemie, Ozonbildung und –zersetzung führt zu Absorption der UV-C-Strahlung, Störung dieses

Gleichgewichtes durch anthropogene Emissionen (FCKW, N₂ O),

Eigenschaften des Ozons (O

)

- 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 Sonne 242 – 310 nm)

-kann photolytisch gebildet und auch zersetzt werden (O + O₂ Î O₃ , λ<242 nm , M / O₃ + OÎ 2 O₂ , λ< 360 nm)

Ozon in der Atmosphäre

ca. 10 km Stratosphäre um 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 der Ozonschicht 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 auf Normalbedingungen (1013 mbar und 0⁰C) gebracht würde, hat im Jahresmittel eine Dicke

von 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!!) an

und wird langsam in die Troposphäre transportiert - radikalischer Rest •R reagiert zu unterschiedlichen

Verbindungen 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 ClONO₂ und 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, NO_x

Wolken aus HNO₃ und H₂ O

- Bildung von - Katalytischer Ozonabbau

Reserviorgasen wie Cl₂ , HOCl, HCl oder ClONO₂

Stratosphäre 9 km

--- Troposphäre

Kalter Isolierter Polarwirbel

Antarktis

Troposphärenchemie (Photochemie)

„Ozonsmog“

• In die Troposphäre wird fast nur Licht mit Wellenlängen > 300 nm eingestrahlt

• 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, die zu vielfältigen Produkten weiterreagieren)

z.B. Abbau organischer Substanzen - Abspaltung von H-Atomen

- Anlagerung an Doppelbindung - Anlagerung an aromatische Ringe

Photosmog, Ozonsmog, Sommersmog

Bildung:

• Bildung von Photooxidantien durch starke Sonneneinstrahlung bei 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 O

RO₂ • + •NO RO• + NO₂ •

RO• + •O-O• HO₂ • + RCHO

HO₂ • + •NO •OH + NO₂ •

NO₂ • + •OH HNO₃

HO₂ • + HO₂ • H₂ O₂ + •O-O•

RO₂ • + NO₂ • RO₂ NO₂

z.B.:

CH₃ COO₂ • + NO₂ • CH₃ COO₂ NO₂

Peroxyacetylnitrat (PAN) M = Stoßpartner

h • ν, M

M

M

M

Chemische Lebensdauer organischer

Verbindungen 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 C

F

Cl

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 verschiedenen Quell-, Senken- und Reservoirsubstanzen

ClONO₂ HNO₄ , HOCl

u.a.

Ozon- zerstörende

Zyklen

H₂ O₂ HNO₃

HCl HO_x

NO_x ClO_x CH₃ Cl

H₂ O, CH₄ , H₂ N₂ O, FCKW

CH₃ CCl₃

CH₃ Cl H₂ O, CH₄ , H₂

N₂ O, FCKW CH₃ CCl₃

Sonnenstrahlen

Quellsubstanzen Senkensubstanzen

Reservoir- substanzen

Stratosphäre Troposphäre

Rückkopplungsmechanismen

(positive und negative Rückkopplung)

• durch Wechselwirkung von Temperatur und Wasserdampfgehalt in der Atmosphäre

Erhöhung H₂ O-Gehalt ⇒ Erwärmung

• durch Wechselwirkung von Temperatur und Wasserdampfgehalt in 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 luftverunreinigenden Stoffe in der Atmosphäre oder zu ihrer chemischen oder physikalischen Änderung führen

Immission: tatsächliche Schadstoffkonzentration am Ort der Einwirkung in der Atmosphäre, im Boden oder im Wasser (mg/m³) („Schluckwert“)

Natürliche Emissionen

• Stoffaustausch

ständiger Stoffaustausch zwischen der Atmosphäre mit der Erdoberfläche

Wasser-, 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, chlorierte Kohlenwasserstoffe (auch Methylchlorid), Schwefelverbindungen, Stickoxide

⇒ aber: normalerweise keine Störung des Stoffgleichgewichts

Emissionen

natürlichen und anthropogenen Ursprungs

Emission Natürlich (Mio t/a) Anthropogen (Mio t/a)

Kohlendioxid (CO₂ ) 700000 22000

Kohlenmonoxid (CO) 4000 550

Kohlenwasserstoffe (C) 1400 90

Methan (CH₄ ) 1000 110

Ammoniak (NH₃ ) 1200 7

Stickoxide (NO₂ ) 770 53

Schwefeldioxid (SO₂ ) 20 150

Lachgas (N₂ O) 145 4

Vergleich Zusammensetzung Uratmosphäre / Atmosphäre heute

Uratmosphäre heutige Atmosphäre

ca. 80% Wasserdampf 5% Wasserdampf ca. 10% Kohlendioxid 0,033% Kohlendioxid

0,026% vorindustriell

ca. 5-7% Schwefelwasserstoff - Schwefelwasserstoff ca. 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 O

ca. 2,0 Mill. Jahre ca. 21%:

200.000-300.000 Jahre 0.1% pro Jahr

anthropogen:

Zunahme CO

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, davon 77,2% Eis

22,2% Grundwasser (bis 800 m Tiefe 9,9%, bis 4000 m Tiefe 12,3%) 0,35% Seenwasser

0,003% 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 gestiegen Industrie, Hygiene

(pro Kopf-Verbrauch/Tag: vorindustriell: 10...30 L 1950: 85 L 2000: 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 Wasserkreislauf aus 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 die

Verdunstung (z.B. Tropen)

arid ⇒ es verdunstet mehr Wasser als durch Niederschläge abgeregnet wird (Wüsten)

niveal ⇒ Dauerfrostregion

• Niederschlagsmenge wird durch Luftströmungen und Temperatur gesteuert

Bundesrepublik: jährlich ca. 300 Mrd. m³ Niederschlag

Funktionen des Wassers

• wichtige Rolle bei der Entstehung des Lebens

• Funktionen im Ökosystem

Stofftransport, Wärmepuffer, Wärmetransport, „Gaswäsche“ etc.

• Bedeutung für Lebewesen: Transportmittel, Energieerzeugung (Photosynthese !!)

pH – Werte verschiedener Flüssigkeiten

Flüssigkeit pH – Wert

---

Magensaft 0.9 ... 2,3

Darmsaft 8,3

Harn 4,8 ...7,4

Blut 7,4

Oberflächenwasser 7,5 ...8,2 Regenwasser (Durchschnitt) 4,1

Zitronensaft 2,0

Tomatensaft 4,0

Seifenlauge 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-Gruppe

H₂ 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 4^oC, Seen frieren von der Oberfläche zu,

Volumenausdehnung bei Gefrieren Sprengung von Gesteinen (Verwitterung) Schmelz- und relativ hoch Existenz von flüssigem Wasser auf Erde Siedepunkt

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, Transport Dielektrizitätskonstante hohe Dielektrizitätskonstante

Lichtabsorption hoch in Bereichen des IR, Photosynthese, natürlicher Treibhauseffekt gering 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 Trinkwasseraufbereitung

Aufbereitung 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 die Ostsee, 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 Verwitterung

Rasche, große Temperaturunterschiede- unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten, Druckzunahme durch Kristallisation von Eis

- Biologische Verwitterung

Ausscheidungs- und Zersetzungsprodukte biologischer Systeme (Mensch, Pflanzen, Tiere, Mikroorganismen)

- Chemische Verwitterung

Hydrolyse, 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:

CO₃^2- + 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 Tonminerale

Al

Fe

Mg

(OH)

Si

Al

O

x K

x Me

(H

O)

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 pflanzlichen und 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

Humine

MM: > 50.000

Löslichkeit: unlöslich

Fulvinsäuren Huminsäuren

(Fulvosäuren)

MM: MM:

800 – 9.000 9.000 – 50.000

Löslichkeit 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 Krankheiten und tierischem Schädlingsbefall schützen, die Konkurrenz anderer Pflanzen um Licht und Nährstoffe unterbinden und die eingebrachten Erntemengen 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 verfügbar

Totalaufschluss mittelfristig verfügbar Königswasser

HCl kurzfristig verfügbar HNO₃

(hochmolar) EDTA

DTPA NH₄ OAc

NH₄ NO₃ MgCl₂ CaCl₂ Bodensättigungsextrakt