ISBN: 3798512329
TITLE: Umweltgeochemie
AUTHOR: Hirner, Rehage, Sulkowski
TOC:

1 Einfhrung in die Umweltwissenschaft 1
1.1 Wissenschaftliche und bildungspolitische Ausgangssituation 1
1.1.1 Interdisziplinaritt chemisch orientierter Umweltforschung 1
1.1.2 Bildungsbedarf und -situation 3
1.2 Umweltchemie und ffentlichkeit 5
1.2.1 Akzeptanzproblem Technik - Industrie - Chemie 5
1.2.2 Umweltpolitik 6
1.2.3 Umwelt und Gesundheit 7
1.2.4 Gesundheitsschutz 8
1.2.5 Risikobereitschaft 9
1.2.6 Beginnender Bewutseinswandel 10
1.3 Entstehung und Evolution der anthropogenen Umweltbelastung 10
1.3.1 Primres Umweltproblem: Anthropogenes Wachstum 10
1.3.2 berbevlkerung 11
1.3.3 Energieverbrauch und Rohstoffausbeutung 14
1.3.4 Zukunftsperspektiven 16
1.3.5 Sustainable Development 17
1.3.6 Verantwortung der chemischen Industrie 19
1.3.7 Technischer Umweltschutz versus Naturschutz 20
1.4 Grundlagen und Aufgaben der Umweltgeochemie 21
1.4.1 Umweltchemie und Umweltgeochemie 21
1.4.2 Differenzierung geogene Grundbelastung/anthropogene Zusatzbelastung 22
1.4.3 Geogene Referenzen 26
1.5 Ausgewhlte Thesen zur Umweltanalytik und zur Umweltchemie 29
2 Allgemeine Umweltgeochemie 34
2.1 Geochemie von Bden und Sedimenten 34
2.1.1 Einfhrung 34
2.1.1.1 Schadstoffbelastung 34
2.1.1.2 Intensive Bodennutzung 36
2.1.1.3 Bodenversauerung 37
2.1.1.4 Speicherkapazitt 38
2.1.1.5 ko- und humantoxikologische Aspekte 40
2.1.1.6 Bodenschutz 41
2.1.2 Einfhrung in die Boden- und Sedimentchemie 42
2.1.2.1 Minerale und Gesteine 44
2.1.2.2 Verwitterung 45
2.1.2.3 Tonminerale 46
2.1.2.4 Organische Bestandteile 48
2.1.2.5 Bodenwasser und -luft 50
2.1.2.6 Kulturbden 51
2.1.2.7 Wechselwirkung zwischen Boden und Bodenlsung 51
2.1.3 Chronologie der Schadstoffbelastung 56
2.1.4 Chemische Speziesbestimmungen an natrlichen Festkrpern 58
2.1.4.1 Notwendigkeit der Speziesbestimmung 58
2.1.4.2 Definition chemischer Spezies 61
2.1.4.3 Analytische Methoden zur Speziesbestimmung 62
2.1.4.4 Anwendungsbeispiele 65
2.1.5 Die Methode der sequentiellen chemischen Extraktion 66
2.1.5.1 Diskussion gebruchlicher Extraktionsschemata 66
2.1.5.2 Verfahrensstandardisierung (BCR Brssel) 71
2.1.5.3 Anaerobe Ablagerungsbedingungen 73
2.1.6 Elutionstests zur Mobilittsabschtzung 74
2.1.6.1 Einteilung, Technik und Anwendung von Elutionstests 74
2.1.6.2 Elutionstest Grundwassergefhrdung im internationalen Vergleich 77
2.1.6.3 Elutionstest Grundwassergefhrdung in Deutschland 80
2.1.6.4 Elutionstest Pflanzenverfgbarkeit 95
2.1.6.5 Elutionstest Ingestion 99
2.1.6.6 Geogene und biogene Elution 103
2.1.6.7 Elution von Abfllen 106
2.1.7 Rechnerische Modellierung der Schadstoffverfrachtung 109
2.2 Erfassung, Bewertung und Sanierung von kontaminierten Standorten 118
2.2.1 Anthropogen kontaminierte Bden 118
2.2.1.1 Definition von Altlasten 118
2.2.1.2 Erfassung des Kontaminationsherdes 119
2.2.1.3 Geochemische Hintergrundbelastungen 122
2.2.1.4 Situationsberichte 123
2.2.1.5 Minerallkontaminationen 125
2.2.1.6 Nukleare und militrische Altlasten 125
2.2.2 Beurteilung und Bewertung der Kontamination 126
2.2.2.1 Sediment- und Bodenqualitt 128
2.2.2.2 Kriterium Grundwasserqualitt 129
2.2.2.3 Biologische Kriterien 131
2.2.2.4 Administrative Vorgaben 131
2.2.3 Chemische Aspekte der Altlastensanierung 137
2.2.3.1 Sanierungsplanung und -Optimierung 137
2.2.3.2 berblick zu Sanierungsmethoden 139
2.2.3.3 Mikrobiologische Verfahren 141
2.3 Chemische Aspekte der Abfallwirtschaft 144
2.3.1 Abflle der Industriegesellschaft 144
2.3.1.1 Das Mengenproblem der Abfallwirtschaft 144
2.3.1.2 Siedlungs- und Industrieabflle 146
2.3.1.3 Sonderabflle 150
2.3.1.4 Radioaktive Abflle 151
2.3.2 Produkte der Abfallbehandlung 152
2.3.2.1 Abfallentsorgung, Wiederverwendung 152
2.3.2.2 Mllverbrennung 153
2.3.2.3 Verbrennungsaschen 157
2.3.2.4 Kompost 161
2.3.2.5 Rotte 163
2.3.2.6 Klrschlamm 166
2.3.2.7 Faulgase 172
2.3.3 Deponierung von Abfllen 173
2.3.3.1 Deponietypen und -klassen 173
2.3.3.2 Die Hausmlldeponie als chemischer Reaktor 182
2.3.3.3 Stabilisierung von Abfllen 188
2.3.3.4 Geochemische Konzepte der Langzeitlagerung von Abfllen 189
2.4 Partikulres Material in der Atmosphre 194
2.4.1 Atmosphrische Aerosole (Einfhrung) 194
2.4.1.1 Luftverschmutzung durch Stube 194
2.4.1.2 Toxikologie von Feinstaub 202
2.4.2 Anorganische Schadstoffe in atmosphrischen Partikeln 204
2.4.2.1 Mineralfasern, Asbest 204
2.4.2.2 Metall(oid)e 207
2.4.2.3 Flugasche 210
2.4.3 Organische Schadstoffe in atmosphrischen Partikeln 210
2.4.3.1 Herkunft organischer Bestandteile 210
2.4.3.2 Industrierue (black carbon) 212
2.4.3.3 Dieselru 214
2.4.4 Partikel im Innenraumbereich 217
2.4.4.1 Allgemeines zum Hausstaub 217
2.4.4.2 Rauchen in geschlossenen Rumen 219
2.4.4.3 Anorganische Stoffe im Hausstaub 220
2.4.4.4 Organische Stoffe im Hausstaub 222
2.4.4.5 Hausstaubuntersuchungen 224
3 Spezielle Umweltgeochemie 228
3.1 Einfhrung in anorganische, organische und radioaktive Schadstoffe 228
3.1.1 Anorganische Schadstoffe 228
3.1.1.1 Metall(oid)e 229
3.1.1.2 Cadmium und Quecksilber 237
3.1.1.3 Zinn und Blei 256
3.1.1.4 Arsen, Antimon und Bismut 267
3.1.1.5 Weitere ausgewhlte Elemente und Spezies 279
3.1.2 Organische Schadstoffe 288
3.1.2.1 Organische Stoffe in der Umwelt 288
3.1.2.2 Aliphatische und aromatische Kohlenwasserstoffe 302
3.1.2.3 Halogenorganische Verbindungen 317
3.1.2.4 Biozide 354
3.1.3 Radioaktive Stoffe 368
3.1.3.1 Strahlenbelastung des Menschen 369
3.1.3.2 Anthropogene Emissionen und Endlagerungsproblematik 374
3.1.3.3 Geogene Quellen 377
3.1.3.4 Innenraumradioaktivitt 379
3.1.3.5 Ausgewhlte Nuklide 381
3.2 Assoziationen zwischen Metall(oid)en und organischem Material 387
3.2.1 Fossile und rezente Sedimente 387
3.2.2 Metalloproteine 391
3.2.3 Metall(oid)organische Verbindungen 392
3.2.4 Carbonyle 396
3.2.5 Biomethylierung der Elemente 396
3.2.5.1 Methanogenese 401
3.2.5.2 Cadmium 403
3.2.5.3 Quecksilber 404
3.2.5.4 Zinn 409
3.2.5.5 Blei 412
3.2.5.6 Arsen 413
3.2.5.7 Antimon 417
3.2.5.8 Bismut 418
3.2.5.9 Selen 418
3.2.5.10 Tellur 418
3.2.5.11 Silicium 419
3.3 Chemische Tracer 421
3.3.1 Biomarker 424
3.3.1.1 Flchtige Komponenten 424
3.3.1.2 Alkanverteilung 425
3.3.1.3 Gesttigte polyzyklische KW 425
3.3.1.4 Aromatische KW 427
3.3.1.5 Hhersiedende Komponenten 429
3.3.1.6 Benzin, Dieselkraftstoff und Heizl 429
3.3.1.7 Einflu sekundrer Effekte in der Umwelt 430
3.3.1.8 Altersabschtzung 432
3.3.1.9 Anwendungsbeispiele 434
3.3.2 Isotopenverteilungen 436
3.3.2.1 Isotope leichter Elemente 436
3.3.2.2 Isotope schwerer Elemente 447
3.3.3 Spurenelemente, lzustze 452
3.3.3.1 Emissionsmarker 452
3.3.3.2 l- und Kraftstoffadditive 455
3.3.3.3 Zusammensetzung moderner Schmierstoffe 457
3.3.4 Kombinationsstudien 458
4 Kolloidale Systeme in der Umwelt 461
4.1 Allgemeine Grundlagen 461
4.1.1 Die besonderen Eigenschaften kolloidaler Systeme 461
4.1.2 Einteilung kolloidaler Systeme 462
4.1.3 Grundlegende Kolloidstrukturen 464
4.1.4 Synthesen kolloidaler Systeme 466
4.1.5 Stabilitt kolloidaler Systeme 466
4.1.5.1 Ionische Wechselwirkungen 467
4.1.5.2 Stern-Potential 468
4.1.5.3 Van-der-Waals-Krfte 471
4.1.5.4 Sterische Wechselwirkungen 474
4.1.5.5 Depletion-Krfte 475
4.1.5.6 Solvatationskrfte 476
4.2 Grenzflchen 477
4.2.1 Flssige Oberflchen 477
4.2.2 Unlsliche dnne Filme an der Wasseroberflche 482
4.2.3 Die Grenzflche zwischen zwei Flssigkeiten 484
4.2.4 Grenzflchen zwischen Festkrpern und Flssigkeiten 485
4.2.5 Spreitung und Benetzung 485
4.2.6 Flotation 487
4.2.7 Adsorptionsprozesse an flssigen und festen Grenzflchen 490
4.2.7.1 Henry-Isotherme 493
4.2.7.2 Langmuirsche Adsorptionsisotherme 493
4.2.7.3 Freundlich-Isotherme 494
4.2.7.4 Volmer-Isotherme 495
4.2.7.5 Frumkin-Isotherme 495
4.2.7.6 Kelvin-Isotherme 495
4.2.7.7 BET-Isotherme 496
4.2.7.8 Adsorption an porsen Festkrpern 497
4.2.7.9 Adsorption an Biofilmen 497
4.3 Assoziationskolloide 498
4.3.1 Typische Eigenschaften von Assoziationskolloiden 498
4.3.2 Klassifikation der Tenside 499
4.3.3 Tensidadsorption an fluiden Grenzschichten 500
4.3.4 Struktur und Eigenschaften von Schumen 504
4.3.5 Bodensanierung mit Schumen 508
4.3.6 Mizellbildung 510
4.3.7 Unterschiedliche Mizellformen 512
4.3.8 Lyotrope Mesophasen 513
4.3.9 Grundprinzipien der Solubilisierung 518
4.3.10 Phospholipide 519
4.3.11 Freisetzung natrlicher Lsungsvermittler 524
4.3.12 Mobilisierung hydrophober Stoffe durch Liposomen 526
4.4 Emulsionen 529
4.5 Mikroemulsionen 533
4.5.1 Wasch- und Reinigungsprozesse 536
4.5.2 Bodensanierung mit Mikroemulsionen 537
4.6 Gele 539
4.6.1 Struktur und Eigenschaften von Gelen 539
4.6.2 Gele fr die Sicherung von Deponien 543
4.7 Kurzer Ausblick 544
5 Analytische Chemie in Umweltmatrices 546
5.1 Einordnung der Probenmaterialien 546
5.1.1 Analytische Objekte 546
5.1.1.1 Bden und Sedimente 546
5.1.1.2 Abflle 547
5.1.1.3 Gesteine 547
5.1.1.4 Sonstige Festkrper 547
5.1.1.5 Flssigkeiten 548
5.1.2 Konzentrationen 548
5.2 Probenahme und Probenvorbereitung 549
5.2.1 Probenahme 549
5.2.2 Probenvorbereitung 554
5.2.2.1 Trocknen 554
5.2.2.2 Aliquotieren, Vereinigen 555
5.2.2.3 Trennmethoden 556
5.2.2.4 Mahlen 564
5.2.2.5 Pressen und Schmelzen 565
5.2.2.6 Elution, Extraktion und Aufschlu 566
5.2.2.7 Anreicherung 568
5.3 Auswahl der geeigneten Methode 569
5.3.1 Atomabsorptionsspektroskopie (AAS) 570
5.3.2 Atomemissionsspektroskopie (AES/OES) 572
5.3.3 Rntgenfluoreszenzanalytik (RFA) 572
5.3.4 Anionenbestimmungsmethoden 572
5.3.5 Gaschromatographie 573
5.3.6 Andere Methoden fr organische Kontaminationen 574
5.3.7 Ausgewhlte Verfahren zur Schlamm- und Sedimentuntersuchung nach DIN 574
5.4 Chromatographische Methoden 575
5.4.1 Allgemeines zu Trenn- und chromatographischen Methoden 575
5.4.1.1 Verteilungschromatographie 576
5.4.1.2 Adsorptionschromatographie 577
5.4.2 Hochleistungs-Flssigkeitschromatographie 579
5.4.3 Gaschromatographie 581
5.4.4 Anwendungungen 586
5.4.5 Kopplung mit anderen Analysenmethoden 587
5.5 Rntgenmethoden 587
5.5.1 Rntgenemission 588
5.5.1.1 Wellenlngendispersive und energiedispersive RFA 590
5.5.1.2 Totalreflexionsrntgenfluoreszenzanalyse 597
5.5.1.3 Weitere Rntgenemissionsmethoden 598
5.5.2 Rntgenabsorptionsmethoden (XANES, EXAFS) 598
5.5.3 Rntgendiffraktometrie 600
5.5.3.1 Probenvorbereitung 600
5.5.3.2 Pulverdiffraktometer 603
5.6 Spektroskopische Methoden 604
5.6.1 UV/Vis- Spektralphotometrie 606
5.6.1.1 Lichtabsorption und Spektrum 606
5.6.1.2 Spektralphotometer 609
5.6.1.3 Bestimmung von umweltrelevanten Feststoffen 610
5.6.2 Infrarot-Spektroskopie 612
5.6.2.1 IR-Spektrometer 613
5.6.2.2 Fouriertransform (FT)-IR-Spektrometer 614
5.6.2.3 Einsatzbereiche in der Umweltanalytik 615
5.6.3 Raman-Spektroskopie 616
5.6.3.1 Anwendungen 617
5.6.4 Atomabsorptionsspektrometrie (AAS) 618
5.6.4.1 Flammen-AAS 619
5.6.4.2 Graphitrohr-AAS (Graphite fumace AAS, GFAAS) 620
5.6.4.3 Hydridtechnik 620
5.6.4.4 Kaltdampftechnik 621
5.6.4.5 Untergrundkorrektur 621
5.6.4.6 Anwendungen 621
5.6.5 Optische Atomemissionsspektrometrie (AES / OES) 622
5.6.5.1 Anwendungen 624
5.6.6 Instrumentelle Neutronenaktivierungsanalyse (INAA) 625
5.7 Massenspektrometrie 626
5.7.1 Massenspektrometer 626
5.7.1.1 Massenspektrometertypen 628
5.7.2 ICP-MS und GC-MS 631
5.8 Ausgewhlte Anwendungen der analytischen Methoden 632
5.8.1 Speziesanalytik organischer und anorganischer Substanzen 632
5.8.2 Analytik ausgewhlter organischer Schadstoffgruppen 635
5.8.2.1 Polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) 635
5.8.2.2 BTEX 638
5.8.2.3 Phenole 638
5.8.2.4 Chlorierte Kohlenwasserstoffe (CKW) 639
5.8.2.5 Polychlorierte Biphenyle (PCB) 639
5.8.2.6 Polychlorierte Dibenzodioxine und -furane (PCDD/F, "Dioxine") 641
5.8.2.7 Biozide 644
5.8.3 Organometallanalytik 648
5.8.4 Radioanalytik 649
5.8.5 Klrschlammanalytik 652
5.8.6 Abfallanalytik 652
5.8.7 Staubanalytik 655
5.8.8 l-Analytik 657
5.8.9 Vor-Ort-Analytik 659
5.9 Analytische Qualittskriterien und Qualittssicherungsmanahmen 660
5.9.1 Statistik in der Analytischen Chemie 660
5.9.1.1 Fehler 660
5.9.1.2 Mittelwert, Nachweisgrenze, Bestimmungsgrenze 666
5.9.1.3 Hufigkeitsverteilungen 670
5.9.1.4 Beurteilung der Richtigkeit der Analyse 670
5.9.2 Labor-Informations- und Management-Systeme 671
5.9.2.1 GLP (Good Laboratory Practice; Gute Labor Praxis) 676
Anhang 679
A.1 Literaturanhang 679
A.1.1 Auswahl interdisziplinrer Fachliteratur 679
A.1.2 Auswahl grundlegender und weiterfhrender Literatur zur speziellen Umweltgeochemie (Kap.3) 680
A.2 Datenanhang 682
A.2.1 Physikalisch-chemische Daten von Metall(oid)en (Kap. 3.1.1) 682
A.2.2 Daten zu organischen Stoffen (Kap. 3.1.2) 685
A.2.2.1 BTEX 685
A.2.2.2 PAK (polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe) 686
A.2.2.3 Substituierte Aromaten 688
A.2.2.4 PCB 691
A.2.2.5 PCDD/F (Dibenzodioxine/Dibenzofurane) 691
A.2.2.6 Ausgewhlte Biozide 692
A.2.2.7 Biomarker 694
A.2.3 Liste gentoxischer Substanzen 696
A.3 Verzeichnis der Abkrzungen 702
Literatur 709
Sachverzeichnis 795
END
