1.1 Problemstellung [1, 2, 3, 4, 5]
Die Toxizität und teilweise auch cancerogenen Eigenschaften chlorierter Kohlenwasserstoffe (CKW)
und polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) sind seit langem bekannt. Der Eintrag der
Substanzen in die Umwelt erfolgt überwiegend anthropogen.
Während man bis 1978 noch der Ansicht war, dass nur die Atmosphäre, das Erdreich und das
Oberfächenwasser, nicht aber das Grundwasser mit derartigen organischen Substanzen belastet sind [1,
5], wurden in den letzten Jahren diese Verbindungen vermehrt im Grundwasser nachgewiesen. Das ist
einerseits bedingt durch die bessere Spurenanalytik - Nachweis einzelner Schadstoffe bis in den
Pikogrammbereich (1 pg/l = 10-12 g/l) - andererseits durch den nach wie vor hohen Eintrag dieser
Substanzen vor allem in den Boden und die Atmosphäre. Insbesondere im Bereich von
Gewerbebetrieben (z.B. chemischen Reinigungen, metallverarbeitenden Firmen und Mineralölfirmen),
Verbrennungsanlagen, Mülldeponien, u.a. können diese Schadstoffe in erhöhten Konzentrationen
auftreten. Weitere Quellen sind Waldbrände, der Kraftfahrzeugverkehr und Heizungsanlagen.
1.2. Eintrag der Schadstoffe in das Grundwasser [2, 3]
Inwieweit diese Substanzen in das Grundwasser gelangen, hängt von der Mobilität dieser Stoffe im
Boden ab, die wiederum durch folgende Faktoren beeinflusst wird:
a) Wasserlöslichkeit der Schadstoffe: wasserlösliche (hydrophile) Stoffe werden leichter mit dem
Bodenwasser in tiefere Bodenschichten verlagert und stellen deshalb eine größere Gefährdung für
das Grundwasser dar als hydrophobe Substanzen.
b) Adsorptionseigenschaften der Schadstoffe und der Bodenpartikel: Je weniger die Schadstoffe von
den Bodenpartikeln adsorbiert werden, um so leichter können sie ins Grundwasser gelangen. Die
Adsorptionsfähigkeit des Bodens hängt stark vom Humus- bzw. Kohlenstoffgehalt des Bodens ab.
Zu beachten ist, dass die an Huminstoffe (Þ Bestandteil des Humus) adsorbierten Schadstoffe nicht
automatisch immobil sind, da die Huminstoffe (wie z.B. die Fulvosäuren) teilweise selbst
wasserlöslich sind und die daran adsorbierten Schadstoffe samt den Huminstoffen in tiefere Schichten
transportiert werden können. Weiterhin ist auch die eingetragene Schadstoffmenge im Verhältnis zur
Adsorptionskapazität entscheidend.
c) Wassergehalt des Bodens: Ist kaum Wasser im Boden vorhanden, so werden selbst gut
wasserlösliche Schadstoffe nur langsam in tiefere Schichten verlagert.
[...]
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
1.1 Problemstellung
1.2 Eintrag der Schadstoffe in das Grundwasser
1.3 Sanierungsverfahren
1.4 Aufgabenstellung und Zielsetzung
2 Grundlagen der Katalyse
2.1 Definition eines Katalysators
2.2 Einteilung der Katalysatoren
2.3 Heterogene Katalyse
2.3.1 Adsorption - Unterscheidung in Physisorption und Chemisorption
2.3.2 Bedeckungsgrad und Adsorptionsisothermen
2.3.3 Mechanismen zum Aufstellen von Geschwindigkeitsgleichungen
2.3.4 Energetische Aspekte der heterogenen Katalyse
3 Material und Methoden
3.1 Auswahl und Charakterisierung der Katalysatoren
3.1.1 Auswahl der Katalysatoren
3.1.2 Charakterisierung der eingesetzten Katalysatoren
3.2 Charakterisierung der Schadstoffklassen
3.2.1 Monozyklische aromatische Chlorkohlenwasserstoffe
3.2.2 PAK
3.2.2 PCB
3.2.4 Leichtflüchtige aliphatische Chlorkohlenwasserstoffe (LCKW)
3.3 Versuchsaufbau und Versuchsdurchführung
3.4 Analyse der Proben mittels GC/FID bzw. GC/MS
3.4.1 Analyse der Proben beim Abbau von 1,2-Dichlorbenzol, Naphthalin und 4-Chlorbiphenyl mittels GC/MS
3.4.2 Analyse der Gasphasenproben beim Abbau von PCE mittels GC/FID
3.4.3 Erläuterungen zur Vorgehensweise bei der Analyse der Proben mittels GC/MS
3.4.4 Quantifizierung mittels externem und internem Standard
4 Ergebnisse
4.1 Abbau von 1,2-Dichlorbenzol
4.1.1 Abbau von 1,2 Dichlorbenzol an Pd/Al2O3
4.1.2 Abbau von 1,2 Dichlorbenzol an Pt/Al2O3
4.1.3 Abbau von 1,2 Dichlorbenzol an Rh/Al2O3
4.1.4 Abbau von 1,2 Dichlorbenzol an Ru/Al2O3
4.2 Abbau von 4-Chlorbiphenyl
4.2.1 Abbau von 4-Chlorbiphenyl an Pd/Al2O3
4.2.2 Abbau von 4-Chlorbiphenyl an Pt/Al2O3
4.2.3 Abbau von 4-Chlorbiphenyl an Rh/Al2O3
4.2.4 Abbau von 4-Chlorbiphenyl an Ru/Al2O3
4.3 Abbau von Naphthalin
4.3.1 Abbau von Naphthalin an Pd/Al2O3
4.3.2 Abbau von Naphthalin an Pt/Al2O3
4.3.3 Abbau von Naphthalin an Rh/Al2O3
4.3.4 Abbau von Naphthalin an Ru/Al2O3
4.4 Abbau von PCE
4.4.1 Abbau von PCE an Pd/Al2O3
4.4.2 Abbau von PCE an Pt/Al2O3
4.4.3 Abbau von PCE an Rh/Al2O3
4.4.4 Abbau von PCE an Ru/Al2O3
5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
5.1 Vergleich der Katalysatoren
5.2 Ausblick
Zielsetzung und Themen
Die Arbeit untersucht die katalytischen Fähigkeiten der Edelmetalle Palladium, Platin, Rhodium und Ruthenium zur Hydrodehalogenierung und Hydrierung umweltrelevanter Schadstoffe in wässriger Lösung unter Wasserstoffzugabe, mit dem Ziel, umweltverträgliche Abbauprodukte zu erzeugen und die Reaktionsgeschwindigkeiten zu vergleichen.
- Katalytischer Abbau von CKW, PAK und PCB
- Einsatz von Edelmetallkatalysatoren auf Trägermaterialien
- Vergleich der Reaktionsgeschwindigkeiten und Selektivität
- Methoden der Gaschromatographie (GC/FID, GC/MS) zur Analyse
- Untersuchung der Hydrodehalogenierungs- und Hydrierungsleistung
Auszug aus dem Buch
1.4 Aufgabenstellung und Zielsetzung
In Batch-Versuchen sollen die Edelmetalle Palladium, Platin, Rhodium und Ruthenium auf ihre katalytischen Fähigkeiten zur Hydrodehalogenierung und Hydrierung umweltrelevanter Schadstoffe unter Zugabe von Wasserstoff untersucht werden. Neben der Untersuchung, zu welchen Verbindungen die eingesetzten Schadstoffe abgebaut werden, sollen auch die Reaktionsgeschwindigkeiten der Umsetzung an den verschiedenen Edelmetallkatalysatoren miteinander verglichen werden.
Als toxische Schadstoffe werden jeweils ein Vertreter aus folgenden umweltrelevanten Stoffklassen eingesetzt:
a) aliphatischer Chlorkohlenwasserstoff: Tetrachlorethylen (PCE)
b) aromatischer Chlorkohlenwasserstoff: 1,2 - Dichlorbenzol
c) (poly-) chloriertes Biphenyl (PCB): 4 - Chlorbiphenyl
d) polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff (PAK): Naphthalin
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Arbeit thematisiert die Umweltbelastung durch chlorierte Kohlenwasserstoffe und PAK sowie die Notwendigkeit, diese effizient abzubauen, um umweltfreundlichere Sanierungsmethoden zu entwickeln.
2 Grundlagen der Katalyse: Dieses Kapitel erläutert die theoretischen Grundlagen der heterogenen Katalyse, einschließlich Adsorptionsmechanismen, Isothermen und energetischer Aspekte.
3 Material und Methoden: Hier werden die Auswahl und Charakterisierung der eingesetzten Katalysatoren sowie der detaillierte Versuchsaufbau und die analytischen Methoden zur Untersuchung des Schadstoffabbaus beschrieben.
4 Ergebnisse: Dieses Kapitel präsentiert die experimentellen Befunde zum Abbau der verschiedenen Schadstoffe und leitet die entsprechenden Geschwindigkeitsgesetze für die verschiedenen Edelmetallkatalysatoren ab.
5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen: Hier erfolgt der abschließende Vergleich der Katalysatoren hinsichtlich ihrer Effektivität und ein Ausblick auf notwendige weitere Laboruntersuchungen sowie potenzielle technische Einsätze.
Schlüsselwörter
Hydrodehalogenierung, Hydrierung, Edelmetallkatalysatoren, Palladium, Platin, Rhodium, Ruthenium, 1,2-Dichlorbenzol, 4-Chlorbiphenyl, Naphthalin, PCE, Grundwassersanierung, heterogene Katalyse, Gaschromatographie, Schadstoffabbau
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Diplomarbeit grundsätzlich?
Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung des katalytischen Abbaus von umweltrelevanten chlorierten Kohlenwasserstoffen und PAK durch verschiedene Edelmetallkatalysatoren in wässriger Lösung.
Was sind die zentralen Themenfelder der Arbeit?
Zentrale Themen sind die heterogene Katalyse, der Einsatz von Palladium, Platin, Rhodium und Ruthenium als Katalysatormaterialien sowie deren Wirksamkeit bei der Hydrodehalogenierung und Hydrierung spezieller Schadstoffe.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, die katalytischen Fähigkeiten der untersuchten Metalle zu evaluieren, die Abbauprodukte zu identifizieren und die Reaktionsgeschwindigkeiten der verschiedenen Katalysatorsysteme miteinander zu vergleichen.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zum Einsatz?
Es werden Batch-Versuche zur Simulation des Schadstoffabbaus durchgeführt. Die quantitative und qualitative Analyse erfolgt mittels Gaschromatographie mit Flammenionisationsdetektor (GC/FID) bzw. Massenspektrometrie (GC/MS).
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil umfasst die theoretischen Grundlagen der Katalyse, die detaillierte Beschreibung der verwendeten Materialien und Methoden sowie die Präsentation und Diskussion der Versuchsergebnisse zu den einzelnen Schadstoffgruppen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Hydrodehalogenierung, Hydrierung, Edelmetallkatalysatoren, Grundwassersanierung, Schadstoffabbau und Gaschromatographie.
Warum ist Rhodium für bestimmte Schadstoffe besonders geeignet?
Rhodium erweist sich als effektiver Katalysator, da es bei Schadstoffen wie 1,2-Dichlorbenzol nicht nur die Hydrodechlorierung ermöglicht, sondern auch den aromatischen Ring zum weniger toxischen Cyclohexan hydrieren kann.
Welche Rolle spielen die Massenbilanzen bei der Bewertung der Ergebnisse?
Die Massenbilanzen dienen dazu, den Erfolg des Schadstoffabbaus zu überwachen. Ein Abfall der Bilanz kann auf Adsorptionseffekte an Gefäßwänden oder Entweichen von Substanzen hinweisen, was bei der Interpretation der Abbaurate berücksichtigt werden muss.
- Quote paper
- Nicolai Kummer (Author), 1998, Hydrodehalogenierung und Hydrierung von (Chlor-) Kohlenwasserstoffverbindungen an verschiedenen Edelmetallkatalysatoren in wässriger Lösung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/16933
