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\chapter{Grundlagen} |
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\label{Grundlagen} |
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\section{Theoretische Grundlagen} |
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\subsection{Grundwasserkontaminationen} |
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Unterschieden nach der Art des Eintrags von Kontaminationen in Boden und Grundwasser können diese |
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punktuell oder diffus auftreten. Ein typisches Beispiel für eine diffuse Quelle stellt zum Beispiel |
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die Überdüngung landwirtschaftlicher Flächen dar. Sie führt zu einer flächenhaften Verschmutzung |
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und ist nicht eindeutig einem Verursacher zuzuordnen. Typische punktuelle Quellen sind Altstandorte, |
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Altlasten oder Unfälle. Es gibt einen Eintrittspunkt (Quelle) von welchem aus sich eine |
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Schadstofffahne im Abstrombereich des Grundwassers ausbildet. |
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Die Kontaminanten können grob in drei Klassen unterteilt werden: |
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\begin{itemize} |
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\item Stoffe die sich in Wasser lösen, |
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\item Stoffe die sich nicht in Wasser lösen und eine kleinere Dichte haben (Light Non-Aqueous Phase |
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Liquid, LNAPL), |
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\item Stoffe die sich nicht in Wasser lösen und eine größere Dichte haben (Dense |
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Non-Aqueous Phase Liquid, DNAPL). |
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\end{itemize} |
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Wasserlösliche Stoffe sind relativ unproblematisch da sie sich schnell verdünnen und in der Regel |
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auch gut abbaubar sind. Auch die LNAPLs sind meist gut sanierbar, da sie durch die geringe Dichte |
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auf dem Grundwasser aufschwimmen und somit in Oberflächennähe bleiben, wo sie gut erfasst werden |
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können. Das größte Problem stellen die DNAPLs dar, zu denen auch der hier untersuchte Schadstoff |
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gehört. |
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Gelangt ein Schadstoff in den Boden und das Grundwasser, verteilt er sich dort in horizontale und |
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vertikale Richtung, wie in Abbildung \ref{Ausbreitung} dargestellt. Die Ausbreitung (Migration) ist abhängig von chemisch-physikalischen Prozessen |
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wie Lösung im Grundwasser, Absorbtion/Desorbtion und Ionenaustausch mit der Bodenmatrix und |
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physikalischen Reaktionen wie Sickerung, Advektion, Diffusion und Dispersion. Sickerung erfolgt |
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bedingt durch die Schwerkraft , hauptsächlich in vertikale Richtung. Advektion ist die Ausbreitung |
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in Richtung der Grundwasserströmung. Mit der Diffusion erfolgt eine Verteilung abhängig vom |
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Konzentrationsgefälle des Stoffes. Die Dispersion beruht auf den unterschiedlichen Fließbahnen |
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durch die Struktur und Anordnung der Bodenpartikel und der damit verbundenen unterschiedlichen |
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Fließgeschwindigkeit im Boden. Diese Prozesse sind zum einen bedingt durch stoffspezifischen |
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Größen wie Konzentration und Verteilung, Löslichkeit, Dichte und Viskosität, Mobilität und |
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Flüchtigkeit, Reaktivität mit Wasser und anderen Stoffen, Langzeitverhalten und Stabilität. Zum |
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anderen sind sie abhängig von den Randbedingungen die durch den Standort vorgegeben werden wie Geologie und |
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Hydrologie. \cite{Lachler} |
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DNAPLs sinken aufgrund ihrer hohen Dichte unter den Grundwasserspiegel ab, wo sie sich durch ihre |
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Hydrophobie zusammenlagern. Sind große Mengen von Schadstoff zusammengelagert, die vom Grundwasser |
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überströmt werden spricht man von ''Pools''. Dies tritt dann auf, wenn die Migration durch eine |
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undurchlässige Bodenschicht (z.B. Ton, Gips) unterbrochen wird. Im Gegensatz dazu stehen die |
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''Plobs''. Das sind kleine Tröpfchen die sich aufgrund ihrer Hydrophobie im Porenzentrum bilden |
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und dort durch Kapillarkräfte festgehalten werden. Häufig sind sie über den Schwankungsbereich des |
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Grundwasserspiegels verschmiert, man spricht dann von Residualsättigung. |
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% Bildränder noch mal neu bearbeiten unf einfügen |
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\begin{figure} |
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\centering |
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\includegraphics[scale=0.5, trim=0.5cm 1cm 0cm 0cm]{bilder/Ausbreitung} |
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\caption[Ausbreitung von DNAPLs im Boden]{Ausbreitung von DNAPLs im Boden, verändert nach Stupp \cite{Stupp}} |
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\label{Ausbreitung} |
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\end{figure} |
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Trotz seiner geringen Wasserlöslichkeit löst sich der Schadstoff im Grundwasser langsam auf und |
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kann so zur Verschmutzung großer Wassermengen führen. Bedingt durch die Strömung in einem |
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Grundwasserleiter bildet sich eine Schadstofffahne aus. Diese transportiert den Schadstoff von der Quelle weg. Das Lösungsgleichgewicht wird verändert und es kann sich immer neuer Schadstoff lösen. Die Konzentrationen in der |
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Schadstofffahne überschreiten dabei häufig gesetzliche Grenzwerte, wie zum Beispiel die der Trinkwasserverordnung. |
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Dies passiert über einen oft unüberschaubaren Zeitraum hinweg, da das Reservoir groß und der Abbau oder |
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die Verdünnung auf ein unschädliches Maß sehr langsam ist. Daher stellen solche Kontaminationen eine potentielle |
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langfristige Gefahr dar und müssen mit Hilfe technischer Maßnahmen beseitigt werden. |
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\subsection {Sanierungsverfahren} |
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Das Bundesbodenschutzgesetz (BBodSchG) nennt in § 2 Abs. 7 zur Sanierung technischer Natur Maßnahmen |
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\begin{enumerate} |
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\item zur Beseitigung oder Verminderung der Schadstoffe |
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\item die eine Ausbreitung der Schadstoffe langfristig verhindern oder vermindern, ohne die Schadstoffe zu beseitigen |
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\item zur Beseitigung oder Verminderung schädlicher Veränderungen der physikalischen, chemischen oder biologischen Beschaffenheit des Bodens |
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\end{enumerate} |
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Also in anderen Worten eine Beseitigung der Ursachen, eine Sicherung des Schadstoffquelle, oder die |
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Beseitigung der Schadwirkung. Hierbei sollte die Sanierung der Schadstoffquelle immer im Vordergrund stehen, soweit ökonomisch und technisch durchführbar, denn nur so wird die größte Menge des |
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Schadstoffes entfernt und ein weiterer Eintrag in das Grundwasser und somit weitere Schäden |
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dauerhaft vermieden. |
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Es gibt neben diversen Sicherungsverfahren eine Vielzahl von verschiedenen Verfahren zur |
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Grundwassersanierung. Die Sanierungsverfahren lassen sich einteilen in chemische, thermische, |
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mikrobiologische, hydraulische, pneumatische und separierende Verfahren. Bei den |
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Sicherungsverfahren unterscheidet man Deponierung, Einschließung, Schadstoffbindung und |
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hydraulische Sicherung. |
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Dabei geht mittlerweile der Trend hin zu einer schadstoffspezifischen Behandlung. Das heißt, das |
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Sanierungskonzept wird auf den Schadstoff, die Grundwasserchemie und die Standortbedingungen im |
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einzelnen angepasst.\cite{Lachler} |
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Um einen Schadstoff aus dem Boden zu entfernen gibt es zwei grundsätzliche Möglichkeiten: Die |
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Ex-Situ-Verfahren und die In-Situ-Verfahren. Bei den Ex-Situ-Verfahren wird das gesamte belastete |
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Erdreich abgetragen und gereinigt oder sicher deponiert. Bei den In-Situ-Verfahren wird nur der |
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Schadstoff im Untergrund entfernt oder unschädlich gemacht. |
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\subsubsection {Ex-Situ-Verfahren} |
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Ex-Situ-Verfahren sind nur dann geeignet, wenn eine eher kleinräumige und oberflächennahe |
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Verschmutzung vorliegt bei der grundwasserführende Schichten nicht betroffen sind. Ist der |
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Schadensstandort überbaut sind sie zudem in der Regel gar nicht möglich. Sie sind aufwändig und |
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teuer, da im Verhältnis zum Schadstoff viel Boden abgetragen und gereinigt oder entsorgt werden |
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muss. Die Reinigung kann vor Ort (on-site) oder an anderer Stelle (of-site) erfolgen. |
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\subsubsection {In-Situ-Verfahren} |
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Für Verunreinigungen, die weit in den Boden eingedrungen sind, bereits das Grundwasser verunreinigt |
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haben oder schwer zugänglich sind, bieten sich eher die In-Situ-Verfahren an. |
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Hier lassen sich die aktiven von den passiven Verfahren unterscheiden. Bei den passiven Verfahren |
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wird einmalig in das Grundwassersystem eingegriffen, z.B. durch Einbringen einer reaktiven Wand |
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oder einer Migrationssperre. Bei den aktiven Verfahren wird kontinuierlich Energie und/oder |
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Chemikalien in das Grundwassersystem eingebracht. Das wichtigste bzw. häufigste aktive |
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In-Situ-Sanierungsverfahren ist das Pump-and-Treat-Verfahren. Dabei wird Grundwasser an die |
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Oberflächer gefördert, gereinigt und wieder zurückgeführt. Um schnell und effizient arbeiten zu |
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können, müssen hier allerdings die zu entfernenden Schadstoffe gut wasserlöslich sein. |
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Um schlecht wasserlösliche Stoffe mittels Pump-and-Treat aus dem Grundwasser entfernen zu können, |
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bedarf es lösungsvermittelnder Chemikalien. Das können Alkohole, Tenside, Elektrolyte, |
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wassermischbare Lösemittel, Polymere oder Komplexbildner sein. Diese bewirken eine Verbesserung der |
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Solubilisierung und/oder Mobilisierung des Schadstoffs durch Reduktion der Grenzflächenspannung |
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zwischen DNAPL und Wasser. Außerdem ist es möglich, dass der Lösungsvermittler in den Schadstoff |
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eindringt, sich mit ihm vermischt und so dessen Dichte reduziert. Die Grundwassersanierung mit |
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Tensiden bietet grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Die erste Möglichkeit besteht darin, die |
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Löslichkeit des DNAPLs in Wasser zu erhöhen, so dass eine Emulsion entsteht, die dann abgepumpt |
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werden kann. Die zweite Möglichkeit zielt darauf ab, den DNAPL zu mobilisieren und als eigene Phase zu |
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entfernen. |
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\subsubsection{Mobilisierung und Solubilisierung} |
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Mobilisiert wird ein Schadstoff dann, wenn die Grenzflächenspannung zwischen Schadstoff und Wasser |
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soweit herabgesetzt wird, dass er sich als zusammenhängende Phase bewegt. |
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Eine Mobilisierung findet immer zu einem gewissen Teil statt, unabhängig von der |
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Tensidkonzentration. Bei der Zugabe einer hohen Tensidkonzentration bildet sich aber immer eine tensidfreie |
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DNAPL-Front. Diese Methode ist sehr effizient in Hinblick auf die kleinen benötigten Porenvolumina |
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der Spüllösung und damit die kurze Sanierungszeit und die niedrigen Kosten. Allerdings wird die |
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zusammenhängende DNAPL-Phase nicht mehr wie die einzelnen Plobs durch die Kapillarkräfte |
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gehalten. Hydraulisch ist sie schlecht zu kontrollieren. Es besteht grundsätzlich die Gefahr einer |
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unerwünschten vertikalen Mobilisierung. Dadurch können weitere, tiefer liegende Bereiche |
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kontaminiert werden, deren Sanierung dann nur schwierig zu bewerkstelligen ist. |
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Von Solubilisierung spricht man, wenn die Wasserlöslichkeit von hydrophoben Schadstoffen durch |
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Zugabe eines Lösungsvermittlers erhöht wird. |
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Die Solubilisierung des Schadstoffs ist eine weniger effiziente Sanierungsmaßnahme als die |
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Mobilisierung, da weniger Schadstoff auf einmal entfernt werden kann und daher mehr Spülgänge nötig |
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sind. Dafür wird die Gefahr der vertikalen Mobilisierung des Schadstoffs verringert. Zudem ist ein |
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solches Tensidsystem relativ unspezifisch im Vergleich zu einem System für die Mobilisierung und |
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daher leichter herzustellen. Am effizientesten sind Mikroemulsionsysteme. Mikroemulsion zeichnet |
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sich durch eine extrem niedrige Grenzflächenspannung zu Öl- und Wasserphase und daher einen sehr |
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hohen Solubilisierungsgrad (Supersolubilisierung) aus. Mikroemulsionssysteme sind außerdem |
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153 |
thermodynamisch stabil, das heißt sie entmischen sich nicht wie gewöhnliche Makroemulsionen und |
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lassen sich somit hydraulisch gut steuern. |
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Aber auch wenn keine Mikroemulsion gebildet wird, steigt die Solubilisierungsrate zunächst mit |
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156 |
zunehmender Tensidkonzentration an. Sie kann jedoch nicht beliebig gesteigert werden, da ein |
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fließender Übergang zwischen Solubilisierung, Mittelphasenmikroemulsion und Mobilisierung besteht. |
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%Das Solubilisierungspotential ist umgekehrt proportional zur Erniedrigung der Grenzflächenspannung |
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160 |
%fließender Übergang. Daher ist es möglich sehr hohe Solubilisierungsraten zu erreichen auch wenn |
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161 |
%das Mikroemulsionsfenster nicht exakt eingestellt werden kann. Dafür besteht aber auch die Gefahr |
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162 |
%das es unerwünscht zu einer vertikalen Mobilisierung kommt, also der Schadstoff der Schwerkraft |
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163 |
%folgend in tiefere Schichten absinkt. (Altlastenforum) |
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164 |
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165 |
\subsubsection{Mischungssysteme und ternäre Phasendiagramme} |
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Das Drei-Komponenten-System Wasser-NAPL-Tensid bildet bei niedrigen Tensidkonzentrationen zwei |
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168 |
Phasen: eine wässrige und eine NAPL-Phase. Bei hohen Tensidkonzentrationen bildet sich nur eine |
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169 |
Phase. Der Zusammenhang zwischen Solubilisierung und Mobilisierung lässt sich gut anhand der |
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170 |
Betrachtung eines ternären Phasendiagramms erläutern. %Am kritischen Punkt tangiert die kritische |
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Die Binodalkurve unterteilt das Phasendiagramm in das Einphasengebiet oberhalb und das |
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Zweiphasengebiet unterhalb der Kurve. Die Konoden die das Zweiphasengebiet durchschneiden, |
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verbinden zwei zusammengehörende Punkte. Entlang der Konoden bleibt die Zusammensetzung und die |
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Oberflächen- bzw. Grenzflächenspannung (OFS) gleich, lediglich die Volumina variieren. |
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Am kritischen Punkt tangiert die kritische Konode, für die wie für alle Konoden gilt, dass |
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178 |
Konzentration und Grenzflächenspannung konstant sind. Im Fall der kritischen Konode gilt $Grenzfllächenspannung=0$. |
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179 |
Unterhalb der kritischen Konode liegt das Mikroemulsionsgebiet in dem die höchsten Solubilisierungsraten |
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180 |
erreicht werden. Nach unten ist dieses durch die Binodalkurve vom Zweiphasengebiet getrennt. Alle drei |
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Gebiete fallen am kritischen Punkt zusammen (siehe Abbildung \ref {Ternary}). |
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183 |
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184 |
Wird nun eine Spüllösung mit einer Tensidkonzentration unterhalb der kritischen Konode injiziert, |
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bilden sich zwei Fronten. Zunächst bildet sich eine Lösemittelfront aus, vor der eine Phase von |
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186 |
tensidfreiem mobilisiertem NAPL entsteht. Hinter der Lösemittelfront wird der noch vorhandener |
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187 |
Schadstoff solubilisiert und folgt dann dem mobilisierten NAPL als zweite Front. |
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188 |
Die Mobilisierung nimmt umso mehr zu, je höher die Tensidkonzentration steigt. Dabei fällt die |
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189 |
Grenzflächensspannung immer weiter ab. Bei einer Grenzflächenspannung von $0$ wird die vollständige |
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190 |
Mischbarkeit erreicht. An diesem Punkt fallen die zwei Fronten zu einer zusammen und der |
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Schadstoff wird vollständig mobilisiert. |
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Eine Solubilisierung ist ganz ohne Mobilisierung nicht möglich. Das liegt daran, dass unabhängig |
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von der Tensidkonzentration bei der Injektion der Spüllösung immer ein lokales Maximum entsteht, |
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194 |
also eine Lösemittelfront. Dies wird aber etwas reduziert durch Effekte wie Dispersion, |
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195 |
Massenaustausch und ungleichmäßige Verteilung des NAPLs da die Fronten durch sie unscharf werden, siehe Abbildung \ref {Fronten}. \cite{Falta} |
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Die Phasendiagramme lassen sich in verschiedene Typen unterteilen. Die hier betrachteten werden |
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als Winsor Typ II-Systeme bezeichnet. Dies lässt sich noch weiter unterscheiden: löst sich das |
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Tensid bevorzugt in Wasser erhält man ein Typ II(-)-System mit fallenden Konoden, löst sich das |
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200 |
Tensid besser im NAPL erhält man ein Typ II(+)-System mit steigenden Konoden. Für Typ II(-)-Systeme |
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201 |
ist die Solubilisierung die häufigste Art der Sanierung. |
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202 |
\cite{Falta} |
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204 |
\begin{figure} |
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205 |
\centering |
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\includegraphics[scale=0.9]{bilder/Ternaeres_System.png} |
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207 |
\caption[Phasendiagramm]{Ternäres Phasendiagramm (Winsor TypII (-)), verändert nach Falta} |
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208 |
\label{Ternary} |
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209 |
\end{figure} |
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210 |
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211 |
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212 |
\begin{figure} |
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213 |
\centering |
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214 |
\includegraphics[scale=0.75, trim=0cm 15cm 5cm 2cm]{bilder/Falta} |
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215 |
\caption[Sättigungsprofile]{Sättigungungsprofile bei eindimensionaler Stömung für (a) |
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216 |
Tensidkonzentration oberhalb der kritischen Konode und (b) Tensidkonzentration unterhalb der |
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217 |
kritischen Konode \cite{Falta}} |
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218 |
\label{Fronten} |
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219 |
\end{figure} |
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220 |
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221 |
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222 |
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223 |
%Warum macht der Arsch das Bild ÜBER den Text???? |
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224 |
%\begin{figure} |
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225 |
%\centering |
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226 |
%\includegraphics[scale=0.75, trim=0cm 12cm 0cm 3cm]{bilder/Ternaeres_System.png} |
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227 |
%\caption[Phasendiagramm]{Ternäres Phasendiagramm (Winsor TypII-), verändert nach Falta 1998} |
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228 |
%\end{figure} |
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229 |
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230 |
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231 |
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232 |
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233 |
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234 |
\subsection{Tenside} |
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235 |
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236 |
Tenside zeichnen sich durch charakteristische Eigenschaften aus. Die wichtigste ist, dass sie |
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237 |
amphiphil sind, das heißt ein hydrophiles (wasserliebendes, polares) und ein lipophiles |
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238 |
(fettliebendes, unpolares) Ende haben. Tenside versuchen immer sich an Oberflächen bzw. |
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239 |
Grenzflächen zwischen polaren und nicht polaren Stoffen anzulagern, so dass sich beide Enden des |
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240 |
Tensids in der jeweils bevorzugten Phase befinden. In Wasser z.B. lagern sich die Tenside so an der |
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241 |
Wasseroberfläche an, dass der hydrophile Teil des Tensides ins polarere Wasser und der lipophile |
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242 |
Teil in die weniger polare Luft ragt. %Damit wird die freie Systemenergie minimiert. |
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243 |
Durch das Anlagern der Tensidmoleküle an Grenzflächen wird die Grenzflächenspannung erniedrigt und |
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244 |
dadurch der Übergang zwischen den zwei nicht mischbaren Phasen erleichtert. Das Tensid wirkt |
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245 |
lösungsvermittelnd. |
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246 |
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247 |
Wird in ein solches stabiles System weiter Tensid zugegeben, finden die Tensidmoleküle nach |
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248 |
überschreiten einer bestimmten Konzentration, der kritischen Mizellkonzentratrion (CMC), keinen |
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249 |
Platz mehr an der Grenzfläche. Stattdessen schließen sie sich in kugelförmigen Gebilden (Mizellen) |
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250 |
zusammen, so dass alle polaren Enden nach außen ins Wasser und alle unpolaren Enden nach innen |
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251 |
zeigen. Ab diesem Punkt tritt der lösungsvermittelnde Effekt deutlich ein. Der Effekt der Mizellbildung |
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252 |
kann nun genutzt werden, um zwei nicht mischbare Stoffe miteinander zu mischen. Im Mizellinneren können |
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253 |
unpolare Stoffe eingeschlossen sein, während sich die Mizellen durch ihr polares Äußeres sehr gut in Wasser lösen. |
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254 |
Erhöht man nun den Tensidgehalt weiter, bilden sich mehr Mizellen und die Löslichkeit des unpolaren |
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255 |
im polaren Stoff steigt an. |
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256 |
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257 |
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258 |
Der gleiche Effekt tritt auch auf, wenn sich das Tensid bevorzugt in einer unpolare Flüssigkeit |
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löst. Dann sind die Enden genau umgekehrt ausgerichtet, also die polaren Enden nach innen und die |
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260 |
unpolaren nach außen gerichtet (inverse Mizellen). |
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261 |
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262 |
Es ist aber auch möglich das beide Systeme, Mizellen und inverse Mizellen, gleichzeitig in einem |
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263 |
NAPL-Wassergemisch existieren. In einem solchen Fall teilen sich die Tensidmoleküle zwischen |
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264 |
polarer und unpolarer Phase auf, abhängig von der relativen Löslichkeit des Tensids. |
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265 |
Löst sich das Tensid in beiden Phasen etwa gleich gut, kann Mittelphasenmikroemulsion entstehen. |
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266 |
Dabei liegen dann Mizellen und inverse Mizellen gleichzeitig vor. Es existieren dann drei Phasen: |
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267 |
Die Wasserphase, die NAPL-Phase und die Mittelphase. Ein Richtwert für diese Verteilungsbeziehung |
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268 |
ist der HLB-Wert (Hydrophilic-Lipophilic-Balance). Tenside mit hohem HLB (ca. 20) sind gut |
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269 |
wasserlöslich, während Tenside mit kleinem HLB (ca. 5) sehr gut fettlöslich sind. Durch Änderungen |
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270 |
der Systembedingungen ist es aber möglich ein eigenlich eher wasserlösliches Tensid vermehrt in der |
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271 |
NAPL-Phase zu lösen. Dieser Effekt lässt sich zum Beispiel durch die Zugabe von Salz (bei ionischen |
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272 |
Tensiden) oder Änderung der Temperatur erreichen. \cite{Sabatini} |
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273 |
Da sich bei entsprechendem HLB das Tensid in keiner Phase bevorzugt löst, sich aber auch nicht |
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274 |
alle Moleküle an der Grenzfläche zwischen den Phasen anlagern können, entsteht eine neue, |
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275 |
dritte Phase. Hier ist nun theoretisch das ganze Tensid, sowie Anteile von Öl und Wasser enthalten, |
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276 |
während die Öl- und Wasserphase kein Tensid enthält (siehe Abbildung \ref{Phasen}). Die Grenzflächenspannung |
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277 |
zwischen der Mittelphase und den beiden Randphasen (Wasser und NAPL) ist extrem niedrig, so dass der Übergang |
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278 |
von Molekülen in die Mittelphase stark erleichtert wird. |
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279 |
%Mittelphasenmikroemulsion zeichnen sich durch eine extrem niedrige Grenzflächenspannung zu Öl- und |
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280 |
%Wasserphase und einen sehr hohen Solubilisierungsgrad (Supersolubilisierung) aus. Desweiteren |
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281 |
%verhält sie sich nicht wie eine gewöhnliche Emulsion, die sich nach einiger Zeit entmischt, sondern |
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282 |
%ist thermodynamisch stabil. |
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283 |
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284 |
%Die Einteilung der mizellaren Systeme erfolgt nach Winsor in Typ I (Mizellen, Öl in Wasser), Typ |
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285 |
%II (inverse Mizellen, Wasser in Öl) und Typ III (Mittelphasenmikroemulsion). |
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286 |
|
---|
287 |
|
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288 |
\begin{figure} |
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289 |
\includegraphics[scale=0.75, trim=1.2cm 10cm 0cm 0cm]{bilder/Tensidsysteme} |
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290 |
\caption[Tensidsysteme]{Schematische Darstellung von Tensidsystemen: Inverse Mizellen (Winsor Typ |
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291 |
II+), Mizellen (Winsor Typ II-) und Mittelphasenmikroemulsion (Winsor Typ III)} |
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292 |
\label{Phasen} |
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293 |
\end{figure} |
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294 |
|
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295 |
|
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296 |
\subsubsection{Aufbau} |
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297 |
|
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298 |
Tenside setzen sich aus einem polaren (hydrophilen) und einem unpolaren (hydrophoben) Teil |
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299 |
zusammen. Der polare Teil enthält eine funktionelle Gruppe. Anhand dieser unterscheidet man |
---|
300 |
nichtionische, anionische, kationische und amphotere (zwitterionische) Tenside. |
---|
301 |
Nichtionische Tenside enthalten keine dissoziierbaren funktionellen Gruppen, daher trennen sie sich |
---|
302 |
beim lösen in Wasser nicht wie ionische Tenside in Ionen auf. Als polare Gruppen sind Hydroxy- |
---|
303 |
$(-OH)$ und Ethergruppen $(-O-)$ vertreten. Durch den stark elektronegativen Sauerstoff wird das |
---|
304 |
hydrophile Molekülteil polarisiert, wodurch die Eigenschaften der nichtionischen Tenside, denen |
---|
305 |
der anionischen ähneln. Der unpolare Anteil ist hier oft ein Fettalkohol oder Oktyl- bzw. |
---|
306 |
Nonylphenol. \\ |
---|
307 |
Anionische Tenside enthalten eine negativ geladene funktionelle Gruppe. Typisch sind Carboxylate |
---|
308 |
$(-COO^-)$, Sulfonate $(-SO_3^-)$ oder Sulfate $(-OSO_3^-)$. Unpolarer Teil ist in der Regel ein |
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309 |
Alkylrest.\\ |
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310 |
Kationische Tenside enthalten eine positiv geladene funktionelle Gruppe, meist eine quartäre |
---|
311 |
Ammoniumgruppe $(R_4N^+)$. Die unpolaren Alkylreste sind um die Ammoniumgruppe herum angelagert.\\ |
---|
312 |
Amphotere Tenside enthalten sowohl eine negative, als auch eine positive funktionelle Gruppe. |
---|
313 |
Häufig ist eine Carboxylatgruppe kombiniert mit einer quartären Ammoniumgruppe. |
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314 |
|
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315 |
\subsubsection{Einfluss auf die Eigenschaften} |
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316 |
|
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317 |
Die Löslichkeit von Tenside wird bei abnehmender Temperatur vom sogenannten Krafft-Punkt bestimmt. |
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318 |
Unterhalb einer für das Tensid spezifischen Temperatur wird die Löslichkeit des Tensids in Wasser |
---|
319 |
so klein, dass die CMC nicht erreicht wird.\\ |
---|
320 |
Die Löslichkeit nichtionischer Tenside wird bei steigender Temperatur vom Cloud-Punkt bestimmt. |
---|
321 |
Oberhalb einer spezifischen Temperatur trennen sich Tensid und Wasser, die Lösung trübt sich. Die |
---|
322 |
trübe Phase besteht aus Mizellen die aufgrund von verstärkten Wechselwirkungen kondensiert sind. |
---|
323 |
Bei ionischen Tensiden wird dieses Effekt nicht beobachtet, da hier eine elektrostatische Abstoßung |
---|
324 |
zwischen den Mizellen stattfindet. \cite{Memminger}\\ |
---|
325 |
Ein weiterer Effekt ist die Ausfällung von anionischen Tensiden durch Bildung von sogenannten |
---|
326 |
Kalkseifen. Diese unlöslichen Verbindungen entstehen vor allem durch eine Reaktion des Tensids mit |
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327 |
den zweiwertige Kationen der Erdalkalimetalle. |
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328 |
|
---|
329 |
|
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330 |
%\subsection{Wirkungsweise} |
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331 |
|
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332 |
%Durch das Anlagern der Tensidmoleküle an Grenzflächen wird die Grenzflächenspannung erniedrigt und |
---|
333 |
%dadurch der Übergang zwischen den zwei nicht mischbaren Phasen erleichtert. Das Tensid wirkt |
---|
334 |
%lösungsvermittelnd. Deutlich wird dieser Effekt nach Überschreitung der CMC. Tensidmoleküle lagern |
---|
335 |
%sich mit dem unpolaren Teil um die Schadstoffmoleküle an um sich dann als Mizellen im polaren |
---|
336 |
%Wasser aufzuhalten. Löst sich das Tensid in beiden Phasen etwa gleich gut, kann |
---|
337 |
%Mittelphasenmikroemulsion entstehen. Dabei liegen dann Mizellen und inverse Mizellen gleichzeitig |
---|
338 |
%vor. Es existieren dann drei Phasen: Die Wasserphase, die NAPL-Phase und die Mittelphase. |
---|
339 |
%Die Grenzflächenspannungen zwischen der Mittelphase und den beiden Randphasen (Wasser und NAPL) |
---|
340 |
%sind extrem niedrig, so dass der Übergang von Molekülen in die Mittelphase stark erleichtert wird. |
---|
341 |
%Aus diesem Grund ist das Solubilisierungspotential so groß. Mikroemulsionen sind thermodynamisch |
---|
342 |
%stabil, sie trennen sich nicht wie Makroemulsionen nach einiger Zeit wieder auf. Durch die hohe |
---|
343 |
%Stabilität lassen sie sich wie eine einzelne Phase behandeln. |
---|
344 |
%Tenside können aufgrund ihrer Eigenschaften die Auflösung des Schadstoffs beschleunigen |
---|
345 |
%(Solubilisierung) oder es durch herabsetzen seiner Grenzflächenspannung zum fließen bringen |
---|
346 |
%(Mobilisierung). |
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347 |
|
---|
348 |
|
---|
349 |
|
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350 |
%\section{Randbedingungen} |
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351 |
|
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352 |
%Kalkseifen: Unlöslicher Nierderschlag von anionischen Tensiden mit Erdalkali-Kationen |
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353 |
|
---|
354 |
%\subsection{Bodeneigenschaften} |
---|
355 |
|
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356 |
%\subsektion{Grundwasserchemie} |
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357 |
|
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358 |
\section{Experimentelle Grundlagen} |
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359 |
|
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360 |
\subsection{Batchversuche} |
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361 |
|
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362 |
Batchversuche sind stark vereinfachte Modelle und simulieren die Idealbedingungen für eine |
---|
363 |
bestimmte Reaktion in einem abgeschlossenen System. Die Ansätze erfolgen in einem geschlossenen |
---|
364 |
Gefäß. Äusere Einflüsse spielen beeinflussen die Reaktion nicht, da nur die einzelnen Chemikalien (hier |
---|
365 |
Tensid, Schadstoff, Wasser und Salz) gemischt werden. Die Mischungsanteile der Ansätze werden |
---|
366 |
während der Gleichgewichtseinstellung der Reaktion nicht verändert und auch die Temperatur wird |
---|
367 |
konstant gehalten.\\ |
---|
368 |
Batchversuche bieten den Vorteil, zunächst alle äußeren Einflüsse auszublenden. So lassen sich |
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369 |
komplexe Vorgänge schrittweise betrachten und verstehen. Es können nach und nach verschiedene |
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370 |
Einflussgrößen weitgehend unabhängig voneinander untersucht werden. So wurde hier zunächst die |
---|
371 |
allgemeine Eignung verschiedener Tenside untersucht, als zweites die optimale Tensidkonzentration |
---|
372 |
bei ansonsten festen Massenanteilen für ausgewählte Tenside bestimmt und schließlich für ein Tensid |
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373 |
der Einfluss der steigenden Salinität untersucht. \\ |
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374 |
Die Resultate werden zur Auswahl von geeigneten Tensiden zur Sanierung der |
---|
375 |
Schwefelkohlenstoffkontamination benötigt. Darüber hinaus schaffen sie aber auch |
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376 |
eine Grundlage zum Verständnis der bei der Sanierung im Untergrund relevanten Prozesse. |
---|
377 |
Batchversuche stellen die Grundlage für alle weiteren Versuche dar, wenngleich die Ergebnisse die |
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378 |
aus Batchversuchen erhalten werden nicht eins zu eins auf die Sanierung eines Grundwasserleiters |
---|
379 |
übertragen werden können. Dies liegt daran, dass der Einfluss von Strömung und Grundwasserchemie, sowie |
---|
380 |
die Wechselwirkung mit der Bodenmatrix nicht in Batchversuchen dargestellt werden kann. Lediglich |
---|
381 |
der Einfluss einer erniedrigten Temperatur lässt sich, mit allerdings entsprechendem Mehraufwand |
---|
382 |
betrachten. Diese weiteren Einflüsse können dann, aufbauend auf das durch die Batchversuche |
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383 |
geschaffenen Basiswissen, weiter untersucht werden. |
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384 |
|
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385 |
|
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386 |
\subsection{Material und Chemikalien} |
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387 |
|
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388 |
\subsubsection{Schwefelkohlenstoff} |
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389 |
|
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390 |
Schwefelkohlenstoff mit der Summenformel $CS_2$ und der molaren Masse 76,13 g/mol ist eine farblose |
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391 |
Flüssigkeit. In Reinform ist sie geruchsneutral, aufgrund von Verunreinigungen jedoch häufig |
---|
392 |
unangenehm riechend. Der Schmelzpunkt liegt bei -111,6 °C der Siedepunkt bei 46,5 °C. Der Stoff ist |
---|
393 |
leicht entzündlich und bei einem Volumenanteil in Luft von 1\% - 60\% auch explosiv. Wegen des |
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394 |
hohen Dampfdrucks von 398 hPa ist er leicht flüchtig, wobei die Dämpfe schwerer sind als Luft. Die |
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395 |
Dichte beträgt 1,264 g/L bei 20°C. Schwefelkohlenstoff gehört zu den DNAPLs. Die maximale |
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396 |
Löslichkeit in Wasser ist mit 2,1 g/L bei 20°C sehr gering. |
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397 |
|
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398 |
Schwefelkohlenstoff ist nach dem Gesetz zum Schutz vor gefährlichen Stoffen (Chemikaliengesetz, |
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399 |
ChemG) ein gesundheitsschädlicher und umweltgefährlicher Stoff. %Für den Umgang gelten die R-Sätze |
---|
400 |
%R11 - 36, 38 - 48, 23,62,63 und die S-Sätze S16, 33, 36, 37 - 45 der Gefahrstoffverordnung. |
---|
401 |
Nach der Verwaltungsvorschrift wassergefährdenter Stoffe (VwVwS) ist Schwefelkohlenstoff in |
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402 |
Kategorie 2, wassergefährdend eingestuft. |
---|
403 |
|
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404 |
Schwefelkohlenstoff ist giftig, er reizt Haut und Schleimhäute und gilt als |
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405 |
fortpflanzungsgefährdend. Die Aufnahme erfolgt leicht über die Atemwege und die Haut. |
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406 |
\cite{Merck} |
---|
407 |
Schwefelkohlenstoff ist relativ gut biologisch abbaubar (80\% in 28 Tagen) und aufgrund des eher |
---|
408 |
mäßig hohen $log P_ow$ ist nicht mit einer starken Bioakkumulation, also der Anreicherung im |
---|
409 |
Organismus, zu rechnen. \cite{Hedinger} |
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410 |
|
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411 |
Verwendung findet Schwefelkohlenstoff in großen Mengen in der Herstellung von Cellulosefasern, als |
---|
412 |
Lösemittel für Fette und in der tertiären Erdölförderung. |
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413 |
|
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414 |
\subsubsection{Salze} |
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415 |
|
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416 |
Es wurden zwei unterschiedliche Salze verwendet. Zum einen das bivalente Salz |
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417 |
Calciumchlorid ($CaCl_2$) und zum anderen das monovalente Salz Natriumchlorid ($NaCl$). |
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418 |
|
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419 |
Die Zugabe von Salz setzt die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen Tensid und Wasser herab. |
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420 |
Nach der Debye-Hückel-Theorie werden die aktiven Zentren der Tensidmoleküle von den umgekehrt |
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421 |
geladenen Ionen umgeben. Dadurch wird deren Ladung gegenüber den Wassermolekülen abgeschirmt. Als |
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422 |
Effekt werden weniger Wassermoleküle zur Interaktion mit dem Tensid benötigt. Man sagt, die |
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423 |
Aktivität des Lösungsmittels (Wasser) nimmt zu und damit steigt das Lösungsvermögen. Die Theorie |
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424 |
sagt weiter, dass der Logarithmus der Löslichkeit proportional der Wurzel der Ionenstärke ist. Das |
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425 |
heißt je größer die Ionenstärke, umso mehr wird das Lösungsvermögen gesteigert. \cite{papadakis} |
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426 |
|
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427 |
|
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428 |
Bei weiter steigender Salzkonzentration kehrt sich der Effekt allerdings um, die Löslichkeit nimmt |
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429 |
wieder ab. Dies kann man sich so vorstellen, dass sich keine weiteren Ionen mehr um die Tenside |
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430 |
anlagern können und daher verstärkt mit dem Lösungsmittel (Wasser) in Wechselwirkung treten. |
---|
431 |
Dadurch stehen nun weniger ''freie'' Wassermoleküle zur Verfügung und die Aktivität des |
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432 |
Lösungsmittels sinkt. Dies kann bis zum Ausfallen der Tensidmoleküle aus der Lösung führen. \cite{Young} %\cite{Saunders} |
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433 |
|
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434 |
|
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435 |
Der Bereich in dem die Löslichkeit durch ein Salz beeinflusst werden kann, wird als Salzfenster |
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436 |
bezeichnet. Die veränderte Löslichkeit lässt sich auch durch die Änderung des HLB-Wertes ausdrücken. |
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437 |
Dieser nimmt bei steigender Salzkonzentration ab. Ein niedriger HLB-Wert bedeutet, dass sich das |
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438 |
Tensid besser im unpolaren löst. Es bilden sich also mit steigendem Salzgehalt zunehmend inverse |
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439 |
Mizellen (siehe Abbildung \ref{Salzfenster}). |
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440 |
|
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441 |
\begin{figure}[h] |
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442 |
\includegraphics[trim=2.5cm 16cm 0cm 2cm]{bilder/Salzfenster} |
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443 |
\caption[Salzfenster]{Salzfenster \cite{Sabatini}} |
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444 |
\label{Salzfenster} |
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445 |
\end{figure} |
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446 |
|
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447 |
|
---|
448 |
|
---|
449 |
|
---|
450 |
%Initial salting in at low concentrations is explained by the Debye-Huckel theory. Proteins are |
---|
451 |
%surrounded by the salt counter ions (ions of opposite net charge) and this screening results in |
---|
452 |
%decreasing electrostatic free energy of the protein and increasing activity of the solvent, which |
---|
453 |
%in turn, leads to increasing solubility. This theory predicts the logarithm of solubility to be |
---|
454 |
%proportional to the square root of the ionic strength. |
---|
455 |
%http://www.rpi.edu/dept/chem-eng/Biotech-Environ/PRECIP/precpsalt.html |
---|
456 |
%%In effect, this means that less water molecules are required to interact with the protein surface |
---|
457 |
%and the concentration of "free" water is increased. We say that the "activity" of the water has |
---|
458 |
%increased. The net effect is that the protein becomes more soluble. |
---|
459 |
%%At higher concentrations of salt we see the reverse effect, "salting-out". What's happening now is |
---|
460 |
%that all the binding sites on the protein surface for the salt ions have become occupied and so the |
---|
461 |
%ions begin to interact with the solvent. The concentration of "free" solvent molecules decreases as |
---|
462 |
%they are used to solvate the salt ions. Protein molecules therefore move closer together and begin |
---|
463 |
%to interact with one another via the hydrophobic or charged patches on their surfaces. At some salt |
---|
464 |
%concentration (which depends on the salt and the size/charge characteristics of the protein), the |
---|
465 |
%protein molecules aggregate and come out of solution. |
---|
466 |
%http://www.madsci.org/posts/archives/2008-04/1208150541.Bc.r.html |
---|
467 |
|
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468 |
\subsubsection{Verwendete Tenside} |
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469 |
|
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470 |
Für ein erstes Screening wurden 15 verschiedene nicht-ionische und anionische Tenside, welche |
---|
471 |
in Tabelle \ref{Tenside} mit den wichtigsten Parametern aufgelistet sind, untersucht. Kationische Tenside wurden |
---|
472 |
aufgrund ihres generell geringen Lösungsvermögens und ihrer erhöhten Affinität zur Sorption an |
---|
473 |
negativ geladene Bodenteilchen nicht eingesetzt. |
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474 |
|
---|
475 |
|
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476 |
|
---|
477 |
|
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478 |
\vspace{12 pt} |
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479 |
%\noindent |
---|
480 |
%\begin{flushleft} |
---|
481 |
\begin{table} |
---|
482 |
\caption{\textbf{Untersuchte Tenside und ihre wichtigsten Parameter}} |
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483 |
\vspace{1cm} |
---|
484 |
\begin{tabular}{|c|c|l|l|l|l|c|c|} \hline |
---|
485 |
\bf Nr.&\bf CAS&\bf Handelsnahme&\bf Typ&\bf Chemische Klasse&\bf Molmasse&\bf HLB\\ \hline |
---|
486 |
1&301-02-0&Lutensol FSA10&nicht-ionisch&Ölsäureamidethoxylat&-&-\\ \hline |
---|
487 |
2&9005-00-9&Brij S20&nicht-ionischðoxylierte Alkohole&314,55&15\\ \hline |
---|
488 |
3&9004-98-2&Brij 98&nicht-ionischðoxylierte Alkohole&1149,53&15,3\\ \hline |
---|
489 |
4&9002-93-1&Igepal&nicht-ionischðoxylierte Alkylphenole&617&13\\ \hline |
---|
490 |
5&9004-98-2&Brij 97&nicht-ionischðoxylierte Alkohole&709&12,4\\ \hline |
---|
491 |
6&9004-95-9&Brij 58&nicht-ionischðoxylierte Alkohole&1124&16\\ \hline |
---|
492 |
7&9005-64-5&Tween 20&nicht-ionisch&Polysorbate&346,46&13,3\\ \hline |
---|
493 |
8&9005-65-6&Tween 80&nicht-ionisch&Polysorbate&604,81&15\\ \hline |
---|
494 |
9&9043-30-5&Uniperol LE&nicht-ionischðoxylieres Öl&-&-\\ \hline |
---|
495 |
10&-&Brij 35&nicht-ionisch&Polysorbate&1198,57&16,9\\ \hline |
---|
496 |
11&-&BASF-Mischung:&nicht-ionisch&Ölsäureamidethoxylat&-&-\\ |
---|
497 |
&&Lutensol FSA 10 (73\%)&anionisch&dialkylierte Sulfosuccinate&&\\ |
---|
498 |
&& Lutensol ON 60 (27\%)&&&&\\ \hline |
---|
499 |
12&151-21-3&Shell Enordet&anionisch&-&-&-\\ \hline |
---|
500 |
13&577-11-7&SDS (Sodiumlaurylsulfate)&anionisch&alkylierte Sulfate&288,4&40\\ \hline |
---|
501 |
14&-&Aerosol AOT (DSSS)&anionisch&Sulfosuccinate&444,56&10,2\\ \hline |
---|
502 |
15&-&Lutensol ON 60&anionisch&dialkylierte Sulfosuccinate&-&-\\ \hline |
---|
503 |
\end{tabular} |
---|
504 |
\label{Tenside}%\end{flushleft} |
---|
505 |
\end{table} |
---|
506 |
\vspace{12 pt} |
---|
507 |
|
---|
508 |
|
---|
509 |
|
---|
510 |
|
---|
511 |
\subsubsection{Material} |
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512 |
|
---|
513 |
Die Batchansätze der verschiedenen Versuchsreihen erfolgten in unterschiedlichen Vials aus Klarglas |
---|
514 |
mit jeweils passendem Schraubverschluss mit Mininert-Ventil. Für den ersten Versuch, das Screening |
---|
515 |
der Tenside, wurden 40 ml-Vials mit flachem Boden und einem Durchmesser von rund 26 mm verwendet, |
---|
516 |
die mit insgesamt 20 ml Chemikalien gefüllt wurden. Problematisch war hier zum einen das große |
---|
517 |
Volumen und der somit hohe Chemikalienverbrauch. Zum anderen war die geringe Höhe im Verhältnis |
---|
518 |
zum Volumen ungünstig, wodurch es schwierig war, die Trennung der Phasen exakt zu dokumentieren. Für den |
---|
519 |
zweiten Versuch wurden Vials mit einem Volumen von 25 ml und einem Durchmesser von nur rund einem |
---|
520 |
Zentimeter verwendet. Auch hier trat das Problem auf, das in den nicht vollständig gefüllten |
---|
521 |
Vials ein großer Gasraum vorhanden war. Der flüchtige Schwefelkohlenstoff diffundiert zu einem |
---|
522 |
nicht bekannten Teil in diese Gasphase und verändert so das Phasengleichgewicht. Daher wurden in |
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523 |
den weiteren Versuchen noch kleinere Vials mit nur 15 ml Volumen und einem Durchmesser von rund |
---|
524 |
einem Zentimeter verwendet und diese nahezu randvoll befüllt.\\ |
---|
525 |
Für nötige Verdünnungsschritte vor der Konzentrationsbestimmung wurden wieder 40 ml-Vials |
---|
526 |
verwendet. Diese wurden mit einem PTFE-beschichteten Septum und Schraubkappe verschlossen. |
---|
527 |
Die Zugabe der Chemikalien in die Vials und die Probenentnahme wurde mit gasdichten |
---|
528 |
Hamilton-Glasspritzen durchgeführt. Da die Vials entlüftet werden mussten um Überdruck bei der |
---|
529 |
Zugabe des Schwefelkohlenstoffs bzw. Unterdruck bei der Probenahme zu verhindern wurde zusätzlich |
---|
530 |
eine zweite Kanüle mit nur 0,4 mm Durchmesser zur Belüftung verwendet. Um ein Steckenbleiben im |
---|
531 |
Hals der Mininert-Ventile zu verhindern, wurden diese feinen Kanülen vorher mit einem Schleifstein |
---|
532 |
abgerundet. |
---|
533 |
|
---|
534 |
|
---|
535 |
\subsection{Grundsätzliches Vorgehen und Messmethoden} |
---|
536 |
|
---|
537 |
Im Rahmen dieser Arbeit wurden drei Versuchsreihen durchgeführt und dabei 15 Tenside hinsichtlich |
---|
538 |
ihrer Eignung zur Solubilisierung von Schwefelkohlenstoff untersucht. |
---|
539 |
Ein erstes Screening, diente einer Vorauswahl. Für die hier ausgesuchten Tenside wurde anschließend |
---|
540 |
der Einfluss der Tensidkonzentration und schließlich der Einfluss von ein- und zweiwertigen |
---|
541 |
Kationen untersucht. |
---|
542 |
|
---|
543 |
Das grundsätzliche Vorgehen war immer gleich: Tensid, Salz und Wasser wurden in definierten |
---|
544 |
Massenverhältnissen gemischt und der mit Oil Red angefärbte Schwefelkohlenstoff im Überschuss |
---|
545 |
zugegeben. Die Ansätze wurden gut vermischt und in einem auf 20 °C temperierten Wasserbad bis zur |
---|
546 |
Gleichgewichtseinstellung stehen gelassen. |
---|
547 |
|
---|
548 |
%Aus der leichten Phase wurde eine Probe abgenommen und in Methanol im Verhältnis 1/100 verdünnt. |
---|
549 |
%Die Auftrennung und Konzentrationsmessung erfolgte mittels HPLC-UV/VIS. Des weiteren wurde die |
---|
550 |
%Dichte, die Oberflächenspannung und das Gesamtvolumen der leichten Phase ermittelt. Außerdem wurde |
---|
551 |
%das äußere Erscheinungsbild der Proben zu einer ersten optischen Bewertung herangezogen. Dabei |
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552 |
%wurde die Ausbildung einer Mittelphase, Trübung der leichten Phase und Abgrenzung der entstandenen |
---|
553 |
%Phasen zueinander betrachtet. |
---|
554 |
|
---|
555 |
\subsubsection{Messmethoden} |
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556 |
|
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557 |
Um beurteilen zu können, wie viel des vorgelegten Schwefelkohlenstoffs in die leichte Phase |
---|
558 |
partitionierte, wurde das Volumen der leichten Phase bestimmt. Hierzu wurden mit einem |
---|
559 |
Höhenanreißer jeweils die Höhe der unteren Phasengrenze (Grenzfläche schwere Phase - leichte Phase) |
---|
560 |
und der oberen Phasengrenze (Grenzfläche leichte Phase - Luft) gemessen. Zudem musste der |
---|
561 |
Durchmesser der Vials bestimmt werden. Dies erfolgte für den ersten Versuch durch abschätzen des |
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Innendurchmesser durch messen des Außendurchmessers der Vials mit einer Schieblehre. Für die \mbox{40 |
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ml}-Vials war dies, aufgrund des relativ großen Durchmessers, hinreichend genau. Die wesentlich |
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schmaleren Vials der weiteren Versuche wurden mit Wasser kalibriert. Das heißt die Vials wurden bis |
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zum Ende der Bodenrundung mit Wasser gefüllt und die Höhe des Wasserspiegels mit dem Höhenanreißer |
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gemessen. Dann wurde ein definiertes Volumen Wasser mit der Mikroliterspritze zugegeben, das Vial |
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zur Dichtekontrolle gewogen, und wieder die Höhe des Wasserspiegels gemessen. Aus der Differenz der |
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gemessenen Höhen und dem zugegeben Volumen lässt sich aus der Formel für das Zylindervolumen (Formel \ref{Zylinder}) der Innendurchmesser der Vials berechnen. Dies wurde mit je drei Vials eines Typs durchgeführt und der |
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Mittelwert der so bestimmten Durchmesser als Kalibrationsergebniss erhalten. |
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Mit dem Durchmesser aus der Kalibrierung und der gemessenen Phasenhöhe kann nun das Volumen der |
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leichten Phase wiederum über die Zylinderformel bestimmt werden. |
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\begin{equation} |
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V_z = 1/4*\pi*d^2*h |
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\label{Zylinder} |
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\end{equation} |
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577 |
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Die Konzentrationsbestimmung des in der leichten Phase gelösten Schwefelkohlenstoffs wurde mittels |
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Hochleistungsflüssigkeitschromatografie (engl. High Performance Liquid Chromatography = HPLC) |
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durchgeführt und mittels UV-VIS-Detektor bei einer Wellenlänge von 315 nm detektiert. Aufgrund der |
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hohen Konzentration mussten die Proben vor der Messung verdünnt werden, damit die Messung |
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im linearen Bereich der HPLC blieb. Um gleichzeitig den Einfluss der Dichtekontraktion zu reduzieren |
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584 |
und den Einfluss des Tensids auf die Laufzeit der Messung klein zu halten, wurde um den Faktor 100 mit |
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Methanol verdünnt. |
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588 |
Die Dichte der Proben wurde bestimmt durch wiegen eines definierten Probevolumens. Hierzu wurden |
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\mbox{3,5 ml-} Gläschen mit Gummistopfen zuerst leer gewogen, dann 2 ml der leichten Phase der Probe |
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mittels einer Mikroliterspritze in die Gläschen überführt und wieder gewogen. Aus der |
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591 |
Massendifferenz und dem zugegebenen Volumen lässt sich dann die Dichte berechnen: Dichte [g/mL] = |
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Masse [g] / Volumen [ml]. |
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Die Messung der Oberflächenspannung wurde mit einem Blasendrucktensiometer (BPA-1P, Sinterface) |
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durchgeführt. Das Gerät bietet einen Schnelltest, bei dem innerhalb von rund fünf Minuten eine |
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komplette Messkurve über verschiedene Blasen-Lebensdauern aufgenommen werden kann. Allerdings wurde |
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hier keine komplette Messkurve aufgezeichnet, sondern der Versuch abgebrochen, sobald sich das |
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Messergebnis einem konstanten Wert annäherte. Der zuletzt gemessene, niedrigste Wert wurde dann als |
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Ergebnis vermerkt. |
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Als zusätzliches Kriterium wurde das Aussehen der Proben herangezogen. Hierbei wurde die Trennschärfe der einzelnen Phasen, die Ausbildung einer Mittelphase, Trübung der leichten Phase und Inhomogenitäten berücksichtigt. |
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604 |
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Die Viskosität wurde mit Hilfe eines Mikro-Ubbelohde-Viskosimeters (SI-Analytics) gemessen. |
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Der Aufbau des verwendeten Ubbelohde-Viskosimeters ist in Abbildung \ref{ubbelohde} dargestellt. Die Probe wird |
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über Rohr (C) eingefüllt und sammelt sich an dessen unterem Ende in einem Vorratsgefäß. Dieses ist über |
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ein U-Rohr mit dem Niveaugefäß (D) verbunden, an das zum einen die Kapillare (I) und zum anderen |
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ein Belüftungsrohr (A) angeschlossen sind. Oberhalb der Kapillare befindet sich das Messgefäß (E). |
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Oberhalb und unterhalb de Messgefäßes befindet sich eine Markierung. Die Probe wird in der Regel |
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durch anlegen eines Unterdruckes an Rohr (B) in das Messgefäß gesaugt. Dann wird das Belüftungsrohr |
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geöffnet, sodass der Flüssigkeitsfilm unterhalb der Kapillare abreißt, es entsteht das sogenannte |
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hängende Niveau. Die Probe wird durch die Kapillare ablaufen gelassen und die Zeit gestoppt, die |
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die obere Grenzfläche benötigt um den Weg zwischen oberer und unterer Markierung des Messgefäßes |
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zurückzulegen. |
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Der kinematische Viskositätskoeffizient $\nu$ ergibt sich dann aus der Kapillarkonstante k mal der |
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gemessenen Zeit t. |
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Um auch den dynamischen Viskositätskoeffizienten $\eta$ zu erhalten, wird die Dichte $\rho$ der |
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Probe mit dem kinematische Viskositätskoeffizient multipliziert, siehe Gleichung \ref{Viskos}. |
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\begin{equation} |
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623 |
\nu= k*t=\frac{\eta}{\rho} |
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624 |
\label{Viskos} |
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625 |
\end{equation} |
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626 |
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627 |
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628 |
Aufgrund der hohen Flüchtigkeit des Schwefelkohlenstoffs, wurde die Flüssigkeit hier jedoch nicht wie normal |
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629 |
üblich durch Anlegen eines Unterdruckes an Rohr (B) nach oben gesaugt, sondern durch Erzeugen eines |
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630 |
Überdrucks an Rohr (C) in das Messgefäß gedrückt. |
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632 |
Zunächst wurde die Kapillarkonstante bestimmt. Hierzu wurden zunächst mehrere Messungen |
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mit bidestilliertem Wasser durchgeführt. Die dynamische Viskosität von Wasser beträgt 1 Pa*s |
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(Pascalsekunde). |
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%Bild Ubbelohde aus Viskosität Uni-Siegen |
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\begin{figure} |
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\centering |
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\includegraphics [scale=0.8, trim=0cm 1cm 0cm 0cm]{bilder/Ubbelohde} |
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\caption[Viskosimeter]{Ubbelohde-Viskosimeter} |
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\label{ubbelohde} |
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643 |
\end{figure} |
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Für die Messung wurden rund drei Milliliter Probe benötigt. Die Messung wurde jeweils dreimal |
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wiederholt und der Mittelwert zur Berechnung der Viskosität verwendet. \\ |
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\\ |
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Diese Messmethode ist streng genommen nur für Newton'sche Fluide geeignet. Bei Tensiden ist jedoch |
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häufig eine Abhängigkeit der Viskosität von den Scherkräften vorhanden. Da die Tenside hier aber |
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verdünnt in Lösung vorlagen, wurden angenommen, dass sie sich newtonisch verhalten. |
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