Flüchtige organische Verbindungen (VOC) werden in großen Mengen (1300 TgC pro Jahr) von biogenen und anthropogenen Quellen in die Atmosphäre emittiert. Die Oxidation solcher Verbindungen führt zur Bildung von semivolatilen Produkten, welche in die Partikelphase übergehen können und somit zur Bildung von sekundärem organischem Aerosol (SOA) beitragen. Die globale SOA Produktion anthropogenen Ursprungs beläuft sich auf 0,05 bis 9,7 Tg pro Jahr. Hingegen wird die biogene SOA Produktion mit bis zu 910 Tg pro Jahr beziffert, was einem Umsatz von 70% der emittierten biogenen VOCs entspricht. Ein solcher Umsatz ist unvereinbar mit den vergleichsweise niedrigen SOA Ausbeuten aus Aerosolkammerexperimenten. Die Ursache für diese Diskrepanz liegt vermutlich an zusätzlichen SOA Bildungswegen wie der Weiterreaktion von VOC Oxidationsprodukten, welche von den Umgebungsbedingungen wie dem Oxidationsmittel, der relativen Feuchte und der Art der vorhandenen Partikel abhängt. Somit sind zwar Tag- und Nachtchemie grundverschieden, allerdings auch eng miteinander verbunden, denn die Produkte der Nachtchemie werden durch die darauffolgende Tagchemie weiterprozessiert und umgekehrt. Dadurch wird das Partitionierungsverhalten der Produkte und somit die SOA Bildung stark beeinflusst. Daher soll im Rahmen des Projektes Dark Knight der Einfluss der Tagchemie auf die Nachtchemie und umgekehrt untersucht werden. Das Wissen über die Verschaltung von Tag- und Nachtchemie kann erheblich zum Verständnis über die an der SOA Bildung beteiligte Prozesse beitragen.
Geothermalwässer sind eine der wichtigsten Quellen im geochemischen Arsen-Kreislauf. Untersuchungen konzentrieren sich häufig auf Arsenit und Arsenat, die sich nach dem Austritt aus Geothermalquellen weit ausbreiten und z.B. die Qualität von Trinkwasser-Aquiferen negativ beeinflussen können. Erst kürzlich wurde gezeigt, dass nicht Arsenit und Arsenat, sondern Thioarsenate (AsVSnO4-n3-; n = 1 - 4), die sich aus Arsenit und reduziertem Schwefel bilden, die häufigsten Arsenspezies an Geothermalquellen sind. Allerdings ist deren Ausbreitung durch Reaktivität gegenüber Sauerstoff begrenzt. Für das vorliegende Projekt postulieren wir, dass Methylierung ein viel häufigerer Prozess an Geothermalquellen ist als bisher angenommen und dass methylthiolierte Arsenate signifikanten Anteil am Gesamtarsengehalt haben, v.a. bei leicht saurem pH und hohen Gehalten an Sulfid und gelöstem organischem Kohlenstoff. Wir postulieren weiter, dass methylthiolierte Arsenate im Vergleich zu anorganischen Thioarsenaten geringere abiotische und mikrobielle Umwandlungen zeigen und im Vergleich zu Arsenit und Arsenat geringere und langsamere Sorption an Eisenminerale und organische Substanz. All dies würde zu einem potentiell hohen Austrag aus Geothermalgebieten führen. Um unsere Hypothesen zu testen, werden wir an zwei Geothermalgebieten in China (Rehai, Yunnan und Daggyai, Tibet) Arsenspezies an den Quellen bestimmen und ihre Umwandlung entlang der natürlichen Abflusskanäle sowie in on-site Inkubationsstudien verfolgen. Wir werden dabei auch klären, welche anderen abiotischen oder biotischen Faktoren zur Arsenspeziesumwandlung beitragen. Im Labor werden wir methylthiolierte Arsenate synthetisieren und ihre Bildung und Stabilität unter verschiedenen S/As Verhältnissen, Temperaturen, pH und in Anwesenheit von Oxidationsmitteln untersuchen. Desweiteren werden wir Ausmaß und Kinetik von Sorption an häufig vorkommenden Eisenmineralen (Ferrihydrit, Goethit, Mackinawit, Pyrit) und an einer organischen Modelsubstanz untersuchen. Um natürliche Bedingungen besser abzubilden, werden wir das Sorptionspotential für methylthiolierte Arsenate auch an natürlichen Sedimenten von Geothermalquellen und ihren Abflusskanälen bestimmen. Das Projekt wird in enger Zusammenarbeit zwischen Prof. Dr. Britta Planer-Friedrich (Deutschland), Expertin für Thioarsenchemie und -analytik, und Prof. Dr. Qinghai Guo (China), Experte für Geothermalwasserchemie, durchgeführt. Die Zusammenarbeit schliesst gemeinsam betreute Promotions- und Masterarbeiten ein, gemeinsame Geländearbeiten in China und Laborarbeiten in Deutschland, ein kickoff meeting in Deutschland sowie ein Abschlusstreffen in China. Das übergeordnete Ziel des Projekts ist es, ein neues Modell für die Bildung, den Transport und die Umwandlung von Arsenspezies in Geothermalgebieten zu entwickeln sowie das mögliche Vorkommen von methylthiolierten Arsenaten auch für andere natürliche Systeme vorhersagen zu können.
Es werden einerseits neue Produktions- und Verfahrenstechnologien entwickelt und andererseits bestehende so verbessert, dass durch Verringerung der Schadstoffemission der Gefahr einer Gesundheitsschaedigung am Arbeitsplatz begegnet wird. Ziel der Untersuchungen ist es, u.a. Oxidationsmittel einzusetzen, die den Schadstoff unter wirtschaftlichen Bedingungen unschaedlich machen.
Im Fokus des Projektes 'Aufwertung CO2-reicher Gasströme biogenen Ursprungs zu Wertstoffen für die chemische Industrie durch Schwefelwasserstoffabtrennung' steht die Entwicklung eines ökonomisch effizienten und gleichzeitig ökologisch vorteilhaften Prozesses zur Abscheidung von geringen Schwefelwasserstoff-Gehalten aus kohlendioxid-haltigen Gasströmen. Solche Stoffgemische fallen in großen Mengen bei der Reinigung gasförmiger Produkte aus Anlagen zur Biomasse-Vergärung und Biomasse-Vergasung an. Die vollständige Abtrennung des Schwefelwasserstoffs ist essentiell für den späteren Einsatz der gasförmigen Produkte (Biogas, Synthesegas, Kohlenstoffdioxid) als wertvollem Energieträger und Rohstoff für die chemische Industrie. In den nachgelagerten Prozessen wirkt H2S sonst als Störstoff bzw. Katalysatorgift und verhindert als Beimengung die weitere Verwendung der Produkte. Die zentrale Fragestellung des Vorhabens ist daher die Entwicklung eines effizienten Prozesses für die Abscheidung kleiner H2S-Mengen aus CO2-reichen Gasströmen, um die Rückführung und Nutzung des gebundenen Kohlenstoffs zu ermöglichen. Dabei liegt der Fokus auf dem Einsatz besonders umweltfreundlicher Oxidationsmittel. Das Erreichen hoher Schwefelwasserstoffumsätze bei minimaler Kohlenstoffdioxid-Absorption durch gezielten Einsatz von pH, Temperatur, Druck und Katalysatoren steht dabei im Mittelpunkt. Zentrale Entwicklungsziele sind die Identifikation eines geeigneten Reaktionssystems und verfahrenstechnischen Apparats, die Simulation und Pilotierung des Verfahrens sowie die ökologische und ökonomische Bewertung.
Chlordioxid (ClO2) wird weltweit zur Oxidation und Desinfektion eingesetzt, wenngleich über die Reaktionen des Chlordioxids noch wenig bekannt ist. So haben erst kürzlich erschiene Arbeiten gezeigt, dass es bei der Reaktion von ClO2 zur Bildung von freiem Chlor kommen kann, welches bei der Desinfektion und Schadstoffabbau sowie bei der Bildung von Transformations- und Nebenprodukten berücksichtigt werden muss. Das vorliegende Projekt behandelt die Reaktionen von ClO2 mit Schadstoffen. Dabei sollen N-haltige Verbindungen untersucht werden, die einen Großteil der in der aquatischen Umwelt vorhandenen Schadstoffe ausmachen. Ziel der Untersuchungen ist es zunächst die pH-wertabhängige Reaktionskinetik von N-haltigen organischen Modellverbindungen zu bestimmen um die Stoffe zu identifizieren, die ein hohes Potenzial haben durch ClO2 abgebaut zu werden. Dann werden die elementaren Reaktionsschritte anhand der "reaktiven" Modellverbindungen untersucht und Reaktionsmechanismen ermitteln. Hierbei werden auch sekundäre Oxidationsmittel, die aus Reaktionen des ClO2 entstehen können (freies Chlor und freies Brom und Iod) erfasst. Die mechanistischen Untersuchungen umfassen zudem die Rolle des Sauerstoffs und der Peroxylradikale in ClO2 Reaktionen, die bisher kaum diskutiert wurden. Schließlich werden Transformationsprodukten bestimmt. Aus den erarbeiteten Daten werden Reaktionsmechanismen abgeleitet und angewendet um die Bildung von Transformationsprodukten für komplexere Schadstoffe zu vorherzusagen. Die Vorhersagen werden daraufhin sowohl in synthetischen wässrigen Lösungen als auch in realen Wässern anhand von realen N-haltigen Schadstoffen überprüft. Insgesamt soll dabei das Verständnis der ClO2 Reaktionen unter Berücksichtigung der sich bildenden sekundären Oxidationsmittel soweit verbessert werden, dass signifikante wissenschaftliche Fortschritte erreicht werden die in der Praxis der Wasseraufbereitung etwa zur Abschätzung der Abbaubarkeit von N-haltigen Schadstoffen und der Bildung von transformations- und Nebenprodukten genutzt werden können.