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Bilanzierung von Schadstoffen auf urbanen Flächen durch chemische und bildanalytische Methoden

In Deutschland wird in vielen Städten und Gemeinden das Regenwasser über eine Mischwasserkanalisation zusammen mit dem Abwasser der Haushalte/Kleinindustrien dem Klärwerk zugeführt. Bei Regenereignissen fallen so enorme zusätzliche Wasservolumina im Klärwerk an und müssen - um einen optimalen Betriebszustand beibehalten zu können - im Kanalnetz oder eigens dafür gebauten Rückhaltebecken zwischengespeichert werden. Ökonomischer und - unter dem Aspekt der Grundwasserneubildung - auch ökologischer wäre daher eine direkte Regenwasserversickerung in den Boden vor Ort. Infolge des zunehmenden Straßenverkehrs und anderer Immissionsquellen ist unser Regenwasser heutzutage jedoch nicht frei von Schadstoffen. Dies kann zu einer Belastung des Bodens und des Grundwassers bei der Regenwasserversickerung führen. Deshalb untersucht werden, inwieweit Dachmaterialien als Senke bzw. Quelle für Schadstoffe fungieren können. Bei der unvollständigen Verbrennung von fossilen Brennstoffen entstehen z.B. Verbindungen aus der Klasse der Polyzyklischen Aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAK). Einige dieser Verbindungen sind krebserregend und werden frei oder an (Staub-)Partikel adsorbiert mit dem Niederschlag aus der Atmosphäre ausgewaschen. Deshalb wird innerhalb des Projektes die Konzentration der PAK im Regenwasser und den Dachabläufen unterschiedlicher Dachmaterialien (Tonziegel, Betondachsteine, Dachpappe, Titanzink, Kupfer, usw.) als Funktion der Jahreszeit und Regenintensität bestimmt. Gleichzeitig wird auch der Eintrag von Metallen in den Regenwasserabfluss der ausgewählten Dachmaterialen als eine mögliche Schadstoffquelle untersucht. Die Ergebnisse aus den Modelldachexperimenten werden mit Befunden realer Dachflächen verglichen. Eine Hochrechnung des Eintrages größerer Einzugsgebiete erfolgt durch die Ermittlung der Dachflächen und Materialien z.B. mittels Laserscanning und Hyperspektralaufnahmen.

Reduzierung der Schadstoffabgabe mit PCP-haltigen Impraegniermitteln behandeltem Holz

Millionen von Wohn- und Arbeitsraeumen, Schulen, landwirtschaftlichen Gebaeuden etc. sind mit pentachlorphenolhaltigen Holzschutzmitteln oder Lasuren behandelt worden; die Halbwertzeit von PCP liegt bei 7 Jahren. Durch chemische Absorption, Verdampfen (Erwaermen), Abschleifen etc. koennten Schaeden gemindert oder aufgehoben werden.

Rueckstaende von Wachstumsregulatoren bei Getreide (Chlorcholinchlorid)

In Feldversuchen wird die Aufnahme von Chlorcholinchlorid und seine spaetere Verteilung im Weizenkorn untersucht.

Biomasseheizsystem mit Sorptionswärmepumpe zur Brennwertnutzung, Teilprojekt: Wärmetechnische Entwicklung Sorptionswärmepumpe und Systemintegration

Schwerpunktprogramm (SPP) 1685: Ecosystem nutrition: forest strategies for limited phosphorus resources; Ökosystemernährung: Forststrategien zum Umgang mit limitierten Phosphor-Ressourcen, When nano-scale meets biodiversity: retention and recycling mechanisms of organic phosphorus in soil

Soil organic matter is considered to become an increasingly important source of bioavailable phosphorus (P) with depletion of inorganic P within primary minerals. Current concepts on P cycling and mobilization of organic P largely ignore the formation of mineral-organic associations. This project aims to link processes occurring at the nanoscale on mineral surfaces with the bioavailability of organic P, with particular focus on the influence of biodiversity and establishment of functional niches by microbial communities on P recycling in soils. Along a soil P availability gradient the proportion of mineral-associated P as well as its composition (31P NMR and X-ray absorption near edge structure spectroscopy) will be determined and related to mineralogical soil properties. Based on adsorption and desorption experiments using both, monomeric and polymeric P sources, the recycling potential of mineral-bound organic P by various biotic communities (plants, mycorrhiza, bacteria) will be determined in mesocosm and field experiments. We expect to assess the relevance of mineral-associated organic P for the P recycling of forest ecosystems and to identify the major controlling abiotic and biotic variables.

Redox Eigenschaften und Reaktivität von Adsorbiertem natürlichem organischem Material

Natürliches organisches Material (NOM) ist die Triebfeder für viele biogeochemische Prozesse in Böden und Grundwässern. Diese herausragende Rolle resultiert nicht nur aus dessen Eigenschaft als Elektronendonor sondern insbesondere auch durch die Fähigkeit Elektronen aufzunehmen und zu speichern (Redoxpuffer) sowie Redoxprozesse zwischen anderen redoxsensitiven Spezies zu vermitteln und zu beschleunigen (Mediator). Obwohl NOM in Böden und Grundwässern zu einem erheblichen Teil in sorbierter Form vorliegt, wurde der Einfluss von Redoxzustand und Redoxeigenschaften auf die Sorption von NOM bisher nicht detailliert untersucht und umgekehrt auch nicht der Einfluss von Sorption auf dessen Redoxzustand. Wir postulieren, dass die Redoxeigenschaften von adsorbiertem NOM sich signifikannt unterscheiden von gelöstem NOM aufgrund von Fraktionierungsvorgängen und Konformationsänderungen. Die vorgeschlagenen Forschungsarbeiten zielen darauf ab, diese Prozesse im Detail zu untersuchen um somit eine Grundlage zu schaffen für ein mechanistisches Verständnis wie Sorptionsprozesse die biogeochemischen Funktionen in natürlichen wässrigen Systemen steuern. Da Sorption die mobilen und immobilen Fraktionen von NOM in diesen Systemen bestimmt, sind die Resultate auch relevant für die Beurteilung der Rolle von NOM für Transport und Transformation von Schadstoffen und mikrobiellen Atmungsprozessen. Im Rahmen dieses Forschungsprojekts möchten wir konkret folgende Kernfragen bearbeiten:- Wie verändert Sorption an natürliche Oberflächen per se (d.h. ohne Elektronentransfer mit dem Sorbens) die Redoxeigenschaften von NOM (Elektronenakzeptor/-donor Kapazität, EH-Werte und -Verteilung, Elektronenmediator-Eigenschaften) - Wie beeinflusst der Redoxzustand von NOM dessen Sorptionsverhalten? - Wie beeinflusst Elektronentransfer zwischen Sorbens und NOM dessen Redoxeigenschaften? - Welchen Einfluss haben Materialeigenschaften von NOM (Herkunft, Aromatizität, Säure/Base Eigenschaften etc.) auf Sorptions- und Redoxprozesse? Hierzu werden wir im Labor mit Hilfe von Batchversuchen unter umweltrelevanten Bedingungen systematisch den Einfluss von Sorptionsprozessen an unterschiedliche natürliche Oberflächen auf die Redoxeigenschaften verschiedenartiger NOM-Proben und Chinon-Modellverbindungen untersuchen und dabei neuartige und sensitive elektrochemische Methoden anwenden. Da NOM-Überzüge auf Mineralien praktisch in allen natürlichen Systemen vorhanden sind erwarten wir uns von den Forschungsergebnissen einen wesentlichen Erkenntnisgewinn im Hinblick auf ein quantitatives Verständnis von Redoxprozessen in natürlichen heterogenen Systemen. Die Resultate sollen somit die Grundlage bilden für eine Weiterentwicklung quantitativer Modelle zur Beschreibung biogeochemischer Prozesse an der Mineral-Wasser Grenzfläche unter natürlichen Bedingungen.

Stoffhaushalt und Stoffumsetzungen in einem kleinen Mittelgebirgsbach des suedlichen Schwarzwaldes

Stabilisierung der organischen Bodensubstanz im intrapartikulären Porenraum von Mineralclustern

Die Festlegung von gelöster organischer Substanz im intrapartikulären Raum von Mineralclustern, insbesondere in sogenannter Mikro- und Mesoporen (A kleiner 2-50 nm) kann über physikalischem Ausschluss von Exoenzymen zur Stabilisierung organischer Substanzen führen. Ziel der geplanten Arbeiten ist die Quantifizierung des Beitrags dieses Prozesses zur Bildung stabiler organischer Bodensubstanz. Dazu werden verschiedene Mineralphasen mit natürlicher organischer Substanz belegt. Diese Proben werden im Vergleich zu Bodenproben der vier Referenzstandorte hinsichtlich der Verteilung der organischen Bodensubstanz im intrapartikulären Porenraum untersucht. Gasadsorption (N2, CO2) und Hg-Porosimetrie erlauben Aussagen zur Inkorporation von organischer Substanz in Abhängigkeit von spezifischer Oberfläche, Porengrößenverteilung und Porengeometrie. Die Kombination verschiedener mikroskopischer (TEM, ESEM), mikrospektroskopischer Methoden (XPS, SANS/SAXS, ESI, EELS) liefert detaillierte Informationen zu Ausmaß und Art der Festlegung von organischer Substanz in den intrapartikulären Porenräumen. Die Arbeiten haben ferner zum Ziel, eine geeignete Strategie für zukünftige enzymatische Abbauversuche zu entwickeln, mit denen die Umsatzraten der so stabilisierten organischen Komponenten quantifiziert werden können.

Entwicklung und Erprobung eines effizienten CO2-Abscheidungsverfahrens auf der Basis wabenstrukturierter Adsorbentien

Die Abscheidung von Kohlendioxid (Carbon Capture) wird für viele energieintensive und schwer dekarbonisierbare Prozesse wesentlich sein, um zukünftige CO2-Ziele einhalten zu können. Es gibt unterschiedliche Verfahren zur CO2-Abscheidung, wobei die Aminwäsche (Absorption) am weitesten verbreitet ist und in großem Maßstab kommerziell eingesetzt wird. Den Vorteilen der hohen Beladungskapazität und Selektivität stehen bei diesem Verfahren die Nachteile eines hohen Energiebedarfs, hoher Investitionskosten und verfahrensbedingter Aminemissionen gegenüber. Eine äußerst attraktive Alternative stellen adsorptive Trennverfahren mit festen Adsorbentien dar, mit dem Potential für geringeren Energiebedarf, einer Vermeidung von Aminschlupf durch die feste Bindung an den Träger und sehr guter Skalierbarkeit des Verfahrens. Als Adsorbentien für die CO2-Abtrennung werden heute praktisch ausschließlich Granulate oder Pellets betrachtet, da keine Alternativen in großem Maßstab verfügbar sind. Zur Behandlung von sehr großen Volumenströmen sind strukturierte Packungen, z.B. Wabenkörper, aufgrund Ihres deutlich günstigeren Verhältnisses von Druckverlust zu spezifischer Oberfläche von wesentlichem Vorteil im Vergleich zu Festbettschüttungen. Strukturierte Adsorbentien zur CO2-Abtrennung sind derzeit nicht in industriellem Maßstab verfügbar. Die Entwicklung und Fertigung ist kapitalintensiv und erfordert sehr spezielles Know-how auf dem Gebiet der Materialwissenschaften. Ziel des Forschungsvorhabens ist es, einen auf aminfunktionalisierten Wabenkörpern basierenden Adsorptionsprozess zur effizienten Abscheidung von CO2 aus Prozess- oder Rauchgasen zu entwickeln und anhand ausgewählter Anwendungsbeispiele zu demonstrieren.

Interactions compost-supports mineraux en systeme lysimetrique (FRA)

La revegetalisation de substrats mineraux par creation d'un horizon organo-mineral a base de composts contenant des boues d'epuration ne se concoit qu'en dehors de toute atteinte a l'environnement. C'est pourquoi on etudie experimentalement, en systeme lysimetrique et sur des sols modelises, le transfert vers les nappes et l'absorption par la vegetation de Cu, Zn, Cd. L'etude des eaux gravitaires puis celle des matrices organo-minerales et minerales (gres, granite) permet de preciser la speciation des metaux lourds et le role des surfaces sorbantes (argiles, oxydes et hydroxydes, substances humiques) dans les processus de retention de ces polluants. Des etudes complementaires de biotoxicite de Cu, Zn, Cd sur le cycle interne de l'azote sont menees en systeme respirometrique in vitro et impliquent l'usage de 15-N. (FRA)

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