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Influence of biochar properties on sorption and remobilization of organic contaminants - Implications for environmental remediation

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[Quelle: https://d-nb.info]

Die Verschmutzung von Wasser und Boden wird zunehmend als globales Problem erkannt, weshalb die Entwicklung kostengünstiger Sanierungstechnologien im wissenschaftlichen Diskurs zunehmend an Bedeutung gewinnt. Ein Material, das in den letzten Jahren im Bereich der Wasser- und Bodensanierung zunehmend mehr Aufmerksamkeit erfahren hat, ist Biokohle. Biokohle ist ein kohlenstoffreiches Material, das durch die Pyrolyse organischen Materials gewonnen wird und in der Sanierungstechnik als Sorbent für eine Vielzahl unterschiedlicher Schadstoffe eingesetzt werden kann. In dieser Arbeit wurde das Sorptions- und Remobilisierungsverhalten von zwei typischen organischen Schadstoffen (Trichlorethylen, TCE; Tetrachlorethylen, PCE) auf verschiedenen Biokohlen untersucht, um ein besseres Verständnis für die relevanten Interaktionsmechanismen zu erlangen. Hierzu wurde eine Reihe von Laborexperimenten mit Biokohlen, hergestellt aus den Ausgangsmaterialien Kuhdung, Getreidespelzen und Holzchips (bei 450°C), durchgeführt. In ausgewählten Versuchen diente zusätzlich eine kommerzielle Aktivkohle als Referenzmaterial. In Einstoff- und Zweistoff-Batchexperimenten wurde das Sorptionsverhalten der beiden Stoffe sowie mögliche Konkurrenz- und Konzentrationseffekte untersucht. Außerdem wurde der Einfluss der Eigenschaften der verschiedenen Sorbenten auf die beteiligten Sorptionsmechanismen näher betrachtet. Im Einstoffsystem sorbiert TCE deutlich stärker als PCE auf allen Biokohlen. Dies kann durch sterische Hinderung erklärt werden. Stark kohlenstoffreiche Biokohle, hergestellt aus Pflanzenmaterial, besitzt eine hohe spezifische Oberfläche, sowie eine große Anzahl von Mikroporen. Daher findet Sorption hauptsächlich durch Porenfüllung statt. Im Gegensatz dazu zeigte die aus Kuhdung hergestellte Biokohle, mit hohem Aschegehalt, höherer Polarität und geringerem Porenvolumen, einen deutlichen Anteil von „Partitioning“ an der Gesamtsorption. Im Zweistoffsystem, zeigten TCE und PCE unterschiedliches Konkurrenzverhalten, welches deutlich durch die Eigenschaften der Biokohlen beeinflusst wurde. In den aus Pflanzenmaterial hergestellten Biokohlen, in denen Sorption hauptsächlich durch Porenfüllung stattfindet, konnte ein ausgeprägtes Konkurrenzverhalten der beiden Schadstoffe gezeigt werden. Im Unterschied dazu wurde in der Kuhdung-Biokohle, mit hoher Polarität und geringem Porenvolumen, eine deutlich geringere Konkurrenz zwischen TCE und PCE festgestellt. Dies wurde auf den größeren Einfluss von „Partitioning“ zurückgeführt. Wird Biokohle in der Sanierungstechnik eingesetzt, können sich ihre Eigenschaften durch natürliche Lösungsprozesse verändern. Dazu zählen zum Beispiel die Lösung von mineralischen Phasen oder die Mobilisierung von löslichen, organischen Kohlenstoffspezies. Der Einfluss dieser Veränderungen auf die Sorptionsfähigkeit von Biokohle wurde untersucht, indem diese durch Extraktion mit Wasser einem künstlichen Lösungsprozess unterzogen wurde. Anschließend wurden die Eluate hydrochemisch charakterisiert, sowie Elementzusammensetzung, spezifische Oberfläche und Porenstruktur der eluierten Biokohlen bestimmt. Ferner wurde das Sorptionsverhalten der beiden Schadstoffe TCE und PCE an den eluierten Biokohlen in Batchversuchen getestet. Aus der Kuhdung-Biokohle wurden große Mengen an löslichem, organischem Kohlenstoff, sowie Ionen gelöst. Die Eluate der beiden übrigen Biokohlen zeigten deutlich geringere Lösungskonzentrationen. Alle drei Biokohlen zeigen deutliche Veränderungen ihrer strukturellen und chemischen Eigenschaften. Nach der Elution konnte für die Kuhdung-Biokohle eine erhöhte Hydrophobizität, eine größere externe Oberfläche, größeres Mesoporen-Volumen, sowie geringere Polarität nachgewiesen werden. Diese Veränderungen führten gleichzeitig zu einem größeren Anteil von „Partitioning“ an der Gesamtsorption. Für die beiden Biokohlen aus Pflanzenmaterial wurde dagegen eine Veränderung des Mikroporenvolumens, sowie der Porengrößenverteilung festgestellt. Diese führte zu einem Anstieg der Sorption beider Schadstoffe, durch vermehrte Porenfüllung. Neben dem Sorptionsverhalten von Sorbenten, ist die Frage nach einer möglichen Remobilisierung sorbierter Schadstoffe von großem Interesse. Um diesen Aspekt zu untersuchen, wurden die Biokohlen mit einer definierten Menge TCE oder PCE beladen und anschließend mit vier unterschiedlichen Lösungsmitteln sequenziell extrahiert (Wasser, Methanol, Toluol und n-Hexan). In allen Versuchen konnte mit Wasser nur eine geringe Menge der gesamtlöslichen Masse extrahiert werde. Dabei wurden von der Kuhdung-Kohle deutlich größere Anteile TCE und PCE mobilisiert als von den beiden aus Pflanzenmaterial hergestellten Biokohlen. Dies konnte auf die unterschiedlichen chemischen und strukturellen Eigenschaften zurückgeführt werden. Dabei spielt neben der Polarität der Sorbenten hauptsächlich das Mikroporenvolumen eine entscheidende Rolle. Von allen Biokohlen konnte der größte Anteil löslicher Schadstoffe mit Methanol extrahiert werden. Im Gegensatz dazu, konnten mit Toluol und n-Hexan nur geringe Mengen extrahiert werden. Im Allgemeinen scheint für die beiden Biokohlen aus Pflanzenmaterial die nicht extrahierbare Masse an PCE höher zu sein. Des Weiteren erscheint der nicht extrahierbare Anteil bei geringerer Schadstoffbeladung leicht höher. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass besonders bei geringen Konzentrationen, Schadstoffe in engen Mikroporen festgehalten werden. Dieser Prozess kann das Elutionsverhalten von Schadstoffen deutlich beeinflussen. Das beobachtete Verhalten scheint die gängige Hypothese des Festhaltens von Schadstoff in Mikroporen durch Quellen und Deformation der Porenstruktur als Ursache für irreversible Sorption zu unterstützen. Zusätzlich scheint auch die Zugänglichkeit von Porosität und Gesamtmatrix eine Rolle zu spielen. Diese werden wiederum durch die Gesamt-Hydrophobizität des Sorbenten beeinflusst. Insgesamt konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass Biokohlen ein exzellentes Sorptionsmaterial für organische Schadstoffe darstellen, was ein großes Potenzial für den Einsatz in der Sanierungstechnik mit sich bringt. Dabei sind die Eigenschaften der Sorbenten, die stark durch die Auswahl des Ausgansmaterials beeinflusst werden, von entscheidender Bedeutung.

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Aufgabe des Forschungsprojektes war die Weiterentwicklung eines im Rahmen des STABIS-Praxistestes konzipierten neuen methodischen Ansatzes zur Erhebung der geplanten Bodennutzung mit der Grundzielsetzung, zum einen den Erhebungsaufwand für die Gemeinden erheblich zu reduzieren und zum anderen einen aussagefähigen Soll-Ist-Vergleich zwischen den Daten der geplanten und der tatsächlichen Bodennutzung zu ermöglichen. Für die Durchführung des Auftrages wurden die drei Testgemeinden Wirges, Ransbach-Baumbach und Kelkheim ausgewählt. Die Datenerhebung erfolgte durch die Gemeinden selbst. Die erfaßten Daten wurden anschließend im Geo-Informationssystem STABIS digital aufbereitet und gemeinsam mit den Daten über die tatsächliche Bodennutzung analysiert. Den Abschluß der Arbeiten bildete eine Bewertung des neuen Verfahrensansatzes im Vergleich mit der derzeitig durchgeführten amtlichen Erhebung der geplanten Bodennutzung. (-y-)

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