Die Gesamtfilterwirkung ist ein Kennwert zur Bewertung des Bodens als Filter für sorbierbare Stoffe und wird über das mechanische und physiko-chemische Filtervermögen bewertet. Unter sorbierbare Stoffe fallen insbesondere Stoffgruppen wie die Kationen der Nährstoffe, Schwermetalle und Organika, die entweder im Bodenwasser gelöst sind oder an kleinen Partikeln haften bzw. selbst in Partikelform vorliegen. In gelöster Form werden die genannten Stoffe an den Austauschern (Bodenmaterial) gebunden und so der Bodenlösung entzogen. In Partikelform werden sie im Boden gefiltert, wenn sie aufgrund mechanischer Hindernisse, wie z. B. am Ende von Wurmröhren, mit dem Sickerwasser nicht mehr weiter transportiert werden können. Die Gesamtfilterwirkung kann in Abhängigkeit von der Kationenaustauschkapazität und der Luftkapazität geschätzt werden. Das Schätzergebnis besteht aus insgesamt 11 Stufen, von denen in Schleswig-Holstein nur 8 relevant sind. Je höher die Stufe ist, desto höher ist die Gesamtfilterwirkung. Sie ist in feinkörnigem Bodenmaterial mit geringer Luftkapazität am größten, wie z. B. in der Marsch und im Östlichen Hügelland, und in grobkörnigem Bodenmaterial mit hoher Luftkapazität am geringsten, wie z. B. in der Vorgeest. Mit der Gesamtfilterwirkung wird eine natürliche Bodenfunktionen nach § 2 Abs. 2 BBodSchG bewertet und zwar nach Punkt 1.c) als Abbau-, Ausgleichs- und Aufbaumedium für stoffliche Einwirkungen auf Grund der Filter-, Puffer- und Stoffumwandlungseigenschaften, insbesondere auch zum Schutz des Grundwassers. Das hierfür gewählte Kriterium ist das mechanische und physiko-chemische Filtervermögen des Bodens mit dem Kennwert Gesamtfilterwirkung. Die Karten liegen für die folgenden Maßstabsebenen vor: - 1 : 1.000 - 10.000 für hochaufgelöste oder parzellenscharfe Planung, - 1 : 10.001 - 35.000 für Planungen auf Gemeindeebene, - 1 : 35.001 - 100.000 für Planungen in größeren Regionen, - 1 : 100.001 - 350.000 für landesweit differenzierte Planung, - 1 : 350.001 - 1000.000 für landesweite bis bundesweite Planung.
Zurzeit ist die 'Biokohle' in aller Munde, und diese wird als Wunderstoff zur Steigerung und Stabilisierung der Bodenqualität angesehen. Eigene Modellversuche mit drei verschiedenen Böden ergaben, dass die Kohlen, bis auf eine Hydro-Thermal-Kohle (HTC) aus Eichenästen, recht stabil im Boden sind und dass diese dazu beitragen können, den Kohlenstoff im Boden zu sequenzieren. Die vielfach geäußerte Vorstellung, dass eine Biokohleapplikation die spezifische Adsorption von Phosphat reduziert, konnten wir in unseren Untersuchungen nicht bestätigen. Auf drei Standorten wird die Wirkung von Biokohle aus Holzhackschnitzel-Siebresten auf einer Löss-Parabraunerde in Rauischholzhausen, einem Sandboden in Groß-Gerau und einem Alluvium in Gießen in Feldversuchen geprüft. Die Versuche begannen im Frühjahr 2012 bzw. im Herbst 2012. Es hat den Anschein, dass die Biokohle die N-Effizienz zu Silomais aus der Löss-Parabraunerde zu fördern scheint, da die Erträge in den Varianten mit Biokohle über denen ohne Biokohle lagen. Auf dem Sandboden und auch auf dem Alluvium förderet die Biokohleapplikation weder von 15 noch von 30 t/ha den Ertrag von Körnermais, Winterweizen oder Sommergerste. Die Wassernutzung wurde auf dem Sandboden nicht durch Biokohle gefördert. Verbessert wurde aber die Nitratretention durch Biokohle. Um diese Mechanismen von Biokohle besser zu verstehen, untersucht Christian Koch in seiner von der Deutschen Bundesstiftung-Umwelt (DBU) geförderten Promotion, inwieweit durch verschiedene Herstellungstemperaturen die Eigenschaften von Biokohlen aus Fichtenrestholz, Landschaftspflegeheu und Nusshäutchen von Haselnuss beeinflusst werden. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Karbonisierungstemperatur die Sorption von Huminsäuren beeinflusst. Dagegen haben die Karbonisierungstemperaturen keinen Einfluss auf die von uns durchgeführten Versuche zur Nitratretention und Kationenaustauschkapazität (= Bariumsorption).
The sorption of anions in geotechnical multibarrier systems of planned high level waste repositories (HLWR) and of non-ionic and organic pollutants in conventional waste disposals are in the center of recent research. In aquatic systems, persistent radionuclides such as 79Se, 99Tc, 129I exist in a form of anions. There is strongly increasing need to find materials with high sorption capacities for such pollutants. Specific requirements on barrier materials are long-term stability of adsorbent under various conditions such as T > 100 C, varying hydrostatic pressure, and the presence of competing ions. Organo-clays are capable to sorb high amounts of cations, anions and non-polar molecules simultaneously having selectivity for certain ions. This project is proposed to improve the understanding of sorption and desorption processes in organo-clays. Additionally, the modification of material properties under varying chemical and thermal conditions will be determined by performing diffusion and advection experiments. Changes by sorption and diffusion will be analyzed by determining surface charge and contact angles. Molecular simulations on models of organo-clays will be conducted in an accord with experiments with aim to understand and analyze experimental results. The computational part of the project will profit from the collaboration of German partner with the group in Vienna, which has a long standing experience in a modeling of clay minerals.
Unter Verwendung von ionischen Flüssigkeiten wurde in den vergangenen Jahren eine Vielfalt an neuartigen Synthesen von kristallinen und anorganischen Materialen entwickelt. Trotz vorteilhafter Eigenschaften und Synthese-Bedingungen gegenüber konventionellen Methoden mangelt es stark am mechanistischen Verständnis, besonders was die dirigierende Rolle der ionischen Flüssigkeiten angeht. Wir setzen uns hier zum Ziel, die Synthese von mehreren ungewöhnlichen Modifikationen des TiO2, nämlich der Bronze-Phase TiO2(B) und einem jüngst synthetisierten Titanoxyhydroxy-Fluorid, aufzuklären. Beide werden unter erstaunlich milden Bedingungen aus einer Mischung von einfachen ionischen Flüssigkeiten mit Wasser und TiCl4 erhalten. Unsere bisherigen Experimente zeigten bereits den prägenden Einfluss von ionischen Flüssigkeiten, welche Fluor-Atome im Anion enthalten, und von Mischungen zweier Kationen mit jeweils Seitenketten von unterschiedlicher Länge. Die wesentliche Aufgabenstellung unseres Projektes besteht nun darin, mechanistische Zusammenhänge zu klären, und zwar sowohl zwischen der molekularen Struktur der Reaktionslösung und der Bildung von Fluorohydroxotitan-Komplexen als auch der Bildung von Clustern. Darüber hinaus möchten wir die Entstehung von Primär- und Nanopartikeln verstehen. Unser Ansatz liegt in der Variation von ionischen Flüssigkeiten (z. B. Ersatz von (BF4)- durch (F)-) und in der Verwendung alternativer Ti-Verbindungen wie (NH4)(TiF6). Einerseits sollen in-situ-Methoden (Raman-Spektroskopie, Röntgenweit- und Kleinwinkelstreuung) dabei helfen, die relevanten Zwischenstufen auf molekularer Ebene und Nanometer-Skala zu identifizieren, andererseits stärkt die Berechnung der molekularen Bildungsmechanismen und des Wachstums von Clustern aus Komplexen das mechanistische Verständnis. Zu diesem Zweck werden neue Wechselwirkungspotentiale parametrisiert, aber auch solche Simulationen durchgeführt, die mit expliziter elektronischer Struktur-Berechnung arbeiten. Es werden dabei Computer-Experimente aufgesetzt, die dem Experiment nicht zugängliche Einsichten erlauben, zum Beispiel zum Einfluss von lokaler Polarität, spezifischen Wechselwirkungen oder gewissen Zwischenstufen.
The proposal addresses the potential of subsoil to contribute to K nutrition of crops. More specifically we will address the processes controlling release of K from interlayer of 2:1 clay minerals as this is expected to be the dominant K fraction in the subsoil. While it has been shown in the past that this so called 'non-exchangeable' K can be released due to root activity, there are controversial results concerning the role of soil solution K concentration in the rhizosphere required to trigger the process. Likewise little information is available about the concentration dynamics of other cations (NH4, Ca) in the rhizosphere and their impact on K release and vermiculitization supposed to be associated with this process. Model studies with substrate from the central field trial will be conducted in compartment systems equipped with micro suction cups. The measurement of dynamic changes of soil solution composition with increasing distance from the root surface will be combined with investigations of changes in mineralogy by XRD, TEM and SEM-EDX. Changes of mineralogy as a result of plant induced K release from interlayer will also be studied on bulk soil and rhizosphere samples collected within the central field and the central microcosm experiment and with mineral bags exposed in the field during a cropping cycle. Finally, X-ray CT will be used to access changes in soil texture, i.e. clay distribution around roots and the temporal spread of roots in biopores which is a prerequisite for K uptake from such structures.
Im Rahmen des Vorhabens wird untersucht, wie die Permeation von geloesten Kationen durch Membranen beeinflusst wird durch die chemische Erscheinungsform, in der die betrachteten Ionen vorliegen. Insbesondere wird der Einfluss von in natuerlichen Gewaessern auftretenden, moeglichen Komplexbildnern auf die Ionenpermeation gemessen. Ziel des Vorhabens ist eine Aussage ueber den Zustand, in dem bestimmte Ionen in waessriger Loesung vorliegen, wobei auch natuerliche Gewaesser beruecksichtigt werden.
Gelöste Schwermetalle in Geothermalwässern wie z.B. Blei, Kupfer oder Barium neigen dazu, bei betriebsbedingten Veränderungen des chemischen Gleichgewichtes zu übersättigen und als schwerlösliche Verbindungen auszufallen. Die damit einher gehenden Probleme reichen von Verstopfung und Beschädigung von Installationen bis zu nachlassender Produktivität und Injektivität des Reservoirs und führen zu erhöhtem Wartungsaufwand oder gar Ausfall des Standortes. Um Partikelanreicherungen (Clogging) und Ausfällungen (Scaling) zu verringern wurden im Projekt PERFORM unterschiedliche Filtrationsmethoden entwickelt, die auf der Entfernung von scale-bildenden Schwermetallionen aus den Geothermalwässern basieren. Dabei wurden vielversprechende Ergebnisse mit Zeolith und Chitosanfasern als Filtrationsmittel im Labormaßstab erzielt. Hauptziel der geplanten Arbeiten in PERFORM II ist nun die Translation dieser Filter-Technologien in die industrielle Anwendung und deren Evaluierung unter geothermischen Bedingungen. Durch das IEG soll in diesem Zusammenhang eine Miniplant gebaut, in Betrieb genommen, und an verschiedenen Geothermiestandorten eingesetzt. Die Minianlage soll an den Standorten mit realen geothermalen Fluiden sowohl die Adsorptionsphase, als auch die Desorptionsphase durchlaufen. Hierbei sollen Kationen selektiv dem Eduktstrom entnommen und aus dem Filter abgeschieden werden. Die Anlage soll somit einen TRL von 6 bis 7 erreichen.
In structured soils, the interaction of percolating water and reactive solutes with the soil matrix is mostly restricted to the surfaces of preferential flow paths. Flow paths, i.e., macropores, are formed by worm burrows, decayed root channels, cracks, and inter-aggregate spaces. While biopores are covered by earthworm casts and mucilage or by root residues, aggregates and cracks are often coated by soil organic matter (SOM), oxides, and clay minerals especially in the clay illuviation horizons of Luvisols. The SOM as well as the clay mineral composition and concentration strongly determine the wettability and sorption capacity of the coatings and thus control water and solute movement as well as the mass exchange between the preferential flow paths and the soil matrix. The objective of this proposal is the quantitative description of the small-scale distribution of physicochemical properties of intact structural surfaces and flow path surfaces and of their distribution in the soil volume. Samples of Bt horizons of Luvisols from Loess will be compared with those from glacial till. At intact structural surfaces prepared from soil clods, the spatial distribution (mm-scale) of SOM and clay mineral composition will be characterized with DRIFT (Diffuse reflectance infrared Fourier transform) spectroscopy using a self-developed mapping technique. For samples manually separated from coated surfaces and biopore walls, the contents of organic carbon (Corg) and the cation exchange capacity (CEC) will be analyzed and related to the intensities of specific signals in DRIFT spectra using Partial Least Square Regression (PLSR) analysis. The signal intensities of the DRIFT mapping spectra will be used to quantify the spatial distribution of Corg and CEC at these structural surfaces. The DRIFT mapping data will also be used for qualitatively characterizing the small scale distribution of the recalcitrance, humification, and microbial activity of the SOM from structural surfaces. The clay mineral composition of defined surface regions will be characterized by combining DRIFT spectroscopic with X-ray diffractometric analysis of manually separated samples. Subsequently, the spatial distribution of the clay mineral composition at structural surfaces will be determined from the intensities of clay mineral-specific signals in the DRIFT mapping spectra and exemplarily compared to scanning electron microscopic and infrared microscopic analysis of thin sections and thin polished micro-sections. The three-dimensional spatial distribution of the total structural surfaces in the volume of the Bt horizons will be quantified using X-ray computed tomography (CT) analysis of soil cores. The active preferential flow paths will be visualized and quantified by field tracer experiments. These CT and tracer data will be used to transfer the properties of the structural surfaces characterized by DRIFT mapping onto the active preferential flow paths in the Bt horizons.
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| Förderprogramm | 269 |
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