Bedeutung des Kationenaustausches beim Kolloid-assoziierten Transport organischer Kationen an Tonen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Grundwasserresourcen stehen zunehmend unter Druck. Immer mehr organische Verbindungen werden im Oberflächen- und Grundwasser detektiert. Erst ein tiefergehendes Prozess- und Systemverständnis von Eintrag und Mobilität vorhandener und potentiell neuer Schadstoffe im Grundwasser kann dessen Qualität und Menge dauerhaft sicherstellen und so Nutzungskonflikten vorbeugen. Meist bleibt jedoch unklar, wie schnell sich insbesondere ionare organische Schadstoffe im Grundwasser bewegen. Besondere Unsicherheiten ergeben sich durch die Möglichkeit des gekoppelten Transportes solcher Stoffe an kleinsten mobilen Partikeln (Kolloide) im Grundwasser, dem sogenannten Co-Transport. So wurde in der Vergangenheit bereits gezeigt, dass Kolloide im Stande sind, die Mobilität von Radionukliden im Untergrund deutlich zu erhöhen. Das Projekt "Co-Trans" untersuchte den Effekt des Co-Transportes zweier ionarer organischer Stoffe an ausgewählten Tonkolloiden in einem typischen Grundwasserleitermaterial. Für diesem Zweck wurde zunächst die Mobilität des ß-Blockers Metoprolol selbst (MTP; organische Base, pK, =9.6) in einem Quarzsand bei ausgewählten pH-Werten und NaCI Konzentration unter wassergesättigten Bedingungen bestimmt. Ziel war es den Transport von MTP zunächst in Abwesenheit von Kolloiden umfänglich zu charakterisieren. Es konnte gezeigt werden, dass pH-Wert und NaCI Konzentration die Mobilität stark beeinflussen. Sowohl bei hohen und niedrigen pH Werten als auch bei hoher Na-Konkurrenz war MTP hochmobil und bewegte sich ohne wesentliche Wechselwirkung durch das Aquifermaterial. Im Bereich neutraler pH-Werte und geringer Na+ - Konkurrenz war die Mobilität dagegen stark verringert. Im nächsten Schritt wurde die Affinität von MTP gegenüber Montmorillonit-Kolloiden untersucht. Hier wurde deutlich, dass die Tonkolloide deutlich mehr MTP aufnehmen, als eine vergleichbare Masse Quarzsand. So konnte für die Tonkolloide eine 300-fach höhere Fixierung festgestellt werden. Zudem wurde selbst bei sehr geringen pH-Werten noch die Fixierung von MTP an den Kolloiden festgestellt, nicht so im Fall des Quarzsandes. Damit konnte gezeigt werden, dass es prinzipiell ein hohes Potential für den Co-Transport von MTP an Tonkolloiden gibt. Zuletzt wurden Versuche zur Mobilität von MTP in Präsenz der Tonkolloide durchgeführt. Hier wurde deutlich, dass je nach Wasserzusammensetzung (pH-Wert und Na-Konkurrenz) Co-Transport oder freier Transport dominiert. Insbesondere unter Bedingungen, in denen MTP immobil sein sollte, wurde es anhaftend an Tonkolloiden mit hoher Geschwindigkeit und Konzentration durch den Quarzsand transportiert. Tatsächlich wurde MTP in Präsenz der Tonkolloide in keinem Fall mehr signifikant im Grundwasserleiter zurückgehalten sondern war unter allen gewählten Bedingungen hochmobil entweder frei oder im Co-Transport. Letztendlich gelang es im Projekt deutlich aufzeigen, dass die Gegenwart von mobilen Tonkol loiden die Mobilität von ionaren organischen Stoffen signifikant verändert. Dieser Aspekt sollte im Rahmen der Risikobewertung für die Verunreinigung von Grundwasser überall dort einen höheren Stellenwert erhalten, wo Tonkolloide mobil sind und in erhöhten Mengen auftreten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
-
Coupled effects of pH and competing cations on metoprolol mobility: column experiments and parameter estimation using reactive transport modeling. Goldschmidt2022 abstracts. European Association of Geochemistry.
Sawall, Joshua & Schiperski, Ferry
-
Mutual Effects of pH and Competing Cations on the Mobility of Metoprolol in Saturated Quartz Sand: Parameter Estimation and Mobility Prediction Using Retardation Modeling. ACS ES&T Water, 3(1), 41-50.
Sawall, Joshua & Schiperski, Ferry
