Untersuchung der Ausgasung organischer Chemikalien in einer Fließgewässersimulationsanlage

,

• Publisher: Cuvillier Verlag
• Year: 2012
• Print ISBN: 9783869559759
• eBook ISBN: 9783736939752
• Edition: 1

Hintergrund: In Fließgewässern ist Ausgasung aus der Wasserphase der wichtigsteVerlustprozess für einige organische Chemikalien. Die Kinetik der Ausgasung hängt vonSubstanzeigenschaften (Diffusivität, Luft/Wasser-Verteilungskoeffizient Kaw) undUmweltbedingungen (Fließgeschwindigkeit, Temperatur, Windgeschwindigkeit, Geometriedes Flussbettes, Rauhigkeit des Gewässergrundes) ab. Experimentelle Untersuchungender Ausgasung liegen bislang nur im Labormaßstab vor.Ziel und Fragestellung: Eine systematische Untersuchung der Ausgasung von Referenz-Chemikalien aus fließenden Wasserkörpern.Welchen Einfluss haben Wassertemperatur, Fließgeschwindigkeit und weiterehydraulische Bedingungen auf die Ausgasung?Material und Methoden: Die Ausgasung wurde an der Fließ- undStillgewässersimulationsanlage (FSA) des Umweltbundesamtes (UBA) in Berlin-Marienfelde untersucht. Dabei wurden einzelne Umweltbedingungen separat undmöglichst kontrolliert variiert. Die Experimente wurden in umlaufenden Rinnen (Länge 104bzw. 154 m, Breite 1 m) durchgeführt. Mit Hilfe einer Schneckenpumpe wurden konstanteFließgeschwindigkeiten im Bereich 0, 15-0, 45 m/s eingestellt. Die Wassertemperatur warnicht regelbar, wurde aber kontinuierlich aufgezeichnet. In einigen Rinnen wurden diehydraulischen Bedingungen variiert, z.B. durch die Befüllung mit Sediment. ÜberVorlagebehälter wurden vier leichtflüchtige Substanzen (MTBE, Ethylbenzol, 1, 2- und 1, 3-Dichlorpropan) und vier weniger flüchtige Substanzen (2-Methyl-1-Propanol, 2-Methyl-1-Butanol, Cyclopentanol, Cyclohexanol) homogen in den Wasserkörper (30 bzw. 45 m³)eingemischt und dann in regelmäßigen Abständen Wasserproben genommen. DieAnalyse erfolgte mittels Headspace-GC/MS nach Zugabe von internen Standards. Durchexponentielle Regression wurde die Ratenkonstante der Ausgasung ermittelt, aus der sichnach Multiplikation mit der Wassertiefe die spezifische Ausgasungsgeschwindigkeit (vaw inm/s) ergibt.Ergebnisse: Für die leichtflüchtigen Substanzen wurden relativ kurze Halbwertzeitenzwischen 4 und 32 Stunden beobachtet. Die Ausgasung der Methyl-Alkohole sowie derzyklischen Alkohole war wesentlich langsamer mit Halbwertszeiten zwischen 2 und 40Tagen.Die Modellierung erfolgte mit einem erweiterten Grenzschichtmodell von Deacon (1977): 1/vaw = 1/vw + 1/(va * Kaw)wobei vw und va die phaseninternen Geschwindigkeiten in Wasser bzw. Luft sind.Der Luft/Wasser-Verteilungskoeffizient Kaw wurde temperaturabhängig mittels pp-LFERGleichungen(poly-parameter Linear Free Energy Relationships) abgeschätzt (Goss, 2006). Der wasserseitige Widerstand 1/vw steht in Abhängigkeit vomDiffusionskoeffizienten in Wasser, Viskosität von Wasser, Fließgeschwindigkeit, hydraulischem Radius und Flussbettrauhigkeit. Der luftseitige Widerstand 1/va steht inAbhängigkeit von der Windgeschwindigkeit (in 10 m Höhe), der Fließgeschwindigkeit unddem Diffusionskoeffizienten in Luft.Mittels nicht-linearer Optimierung wurde das Modell gefittet, wobei nur zweiRegressionskonstanten und fünf verschiedene Flussbettrauhigkeiten angepasst wurden.Die beste Anpassung des Modells ergab sich bei 0, 157 für die erste Regressionskonstante- dies ist nur geringfügig niedriger als der von Moog & Jirka (1999) angegebene Wert von0, 161.Diskussion: Für die leichtflüchtigen Substanzen wurde ein deutlicher Effekt derFließgeschwindigkeit beobachtet, was vermutlich auf die Beeinflussung deswasserseitigen Widerstands durch die Turbulenz an der Grenzschicht zwischen Luft undWasser zurückzuführen ist. Besonders für MTBE verlangsamte sich beim Minimum derWassertemperatur von 5°C die Ausgasung, der Effekt war aber deutlich geringerausgeprägt. Wegen der Temperaturabhängigkeit des Kaw kommt hier bei niedrigenTemperaturen zusätzlich der luftseitige Widerstand zum Tragen.Für die Ausgasungsgeschwindigkeit der Alkohole ist vor allem der Kaw von Bedeutung. Derluftseitige Widerstand wird nicht nur durch den eigentlichen Wind, sondern auch durch den"relativen Wind" der Wasserströmung indirekt vermindert.Schlussfolgerungen: Insgesamt lässt sich sagen, dass mit Ausnahme des Kaw dieVariabilität der Umweltbedingungen eine größere Rolle für die Ausgasung organischerChemikalien spielt als die Variabilität der Substanzparameter.In Fließgewässern unterliegen deutlich mehr Substanzen einer luftseitigen Kontrolle alsdies in stehenden Gewässern der Fall ist. Somit liegt in Fließgewässern der kritische Kawbei etwa 0, 03 statt bei 0, 001.Die FSA ist zur Untersuchung der Ausgasung von leichtflüchtigen Substanzen gutgeeignet. Für schwerer flüchtige Substanzen wie zyklische Alkohole sind dieAusgasungsgeschwindigkeiten zu langsam, so dass eine Verfälschung durch langfristigeTemperaturänderungen möglich ist.

Table of contents

• Inhaltsverzeichnis
• Tabellenverzeichnis
• Abbildungsverzeichnis
• 1. Zusammenfassung
• Abstract
• 2. Einführung
• 3. Stand der Forschung zur Volatilisierung von Chemikalien
• 4. Auswahl der Referenz-Chemikalien
• 5. Übersicht über die durchgeführten experimentellen Untersuchungen
• 6. Vorgehensweise und Methoden
• 7. Ergebnisse
• 8. Diskussion
• 9. Literaturverzeichnis
• 10. Anhang