DAS1 und DSBP sind die dominanten optischen Aufheller in Waschmitteln. Daher gelangen beträchtliche Anteile in die Kläranlage, wo eine starke Adsorption an den Klärschlamm erfolgt. Aufgrund der Verwendung von Klärschlamm als landwirtschaftlicher Dünger werden optische Aufheller in Böden eingetragen. Bisher existieren jedoch kaum Untersuchungen über das Adsorptionsverhalten der Aufheller an Bodenbestandteilen.
Um diese Wissenslücke zu schliessen, entstand meine Diplomarbeit mit dem Ziel, DAS1 und DSBP hinsichtlich ihrer Adsorption an Na-, Ca- und Fe-Montmorillonit, an Na- und Ca-Montmorillonit-Polysaccharidkomplexen (= Tonpolymerkomplexe, als Simulation der in natura mit mikrobiellen Polymeren belegten Tonmineralen) sowie an Na- und Ca-Montmorillonit-Huminsäurekomplexen (Simulation der Ton-Humuskomplexe) zu untersuchen.
Die Versuche ergaben eine starke Adsorption von DAS1 an Ca- und Fe-Montmorillonit und an Ca-Montmorillonit-Polysaccharidkomplexen. Geringer, aber immer noch deutlich, war die Adsorption von DAS1 an Na-Montmorillonit-Polysaccharidkomplexe sowie von DSBP an Fe-Montmorillonit. Keine Bindung konnte mit DSBP an Na- und Ca-Montmorillonit, an alle Na- und Ca-Montmorillonit-Polysaccharidkomplexe sowie an Na- und Ca-Montmorillonit-Huminsäurekomplexe erzielt werden. Ebenso konnte keine Adsorption von DAS1 an Na-Montmorillonit und an Tonhuminsäurekomplexe nachgewiesen werden.
Die z.T. fehlgeschlagene Sorption ist auf den abstoßenden Effekt der negativ geladenen Tonminerale zurückzuführen. Durch die Ausbildung von Kationbrücken konnte diese Barriere jedoch überwunden werden.
Die Ergebnisse verdeutlichen diesen Zusammenhang: Die Adsorption nahm bei Montmorillonit mit steigender Ladung der austauschbaren Kationen in der Reihenfolge Na+ < Ca2+ < Fe3+ zu. Als Adsorptionsmechanismus ist daher eine Ionenbindung der Sulfonatanionen der Aufheller an austauschbare Kationen anzunehmen.
Einen adsorptionssteigernden Einfluss hatte die Belegung der Tonminerale mit dem Polysaccharid Gum Xanthan. Deswegen besitzen auch die geringen Polysaccharidgehalte in Böden eine Bedeutung. Die fehlende Sorption der hydrophilen Aufheller an Ton-Huminsäurekomplexe ist auf den hydrophoben Charakter der sorbierten Huminsäure zurückzuführen.
Insgesamt besitzen Tonminerale einen bedeutenden Einfluss bei der Adsorption der Aufheller, während die Huminstoffe scheinbar keine Rolle spielen.
Inhaltsverzeichnis
1. Einführung
2. Optische Aufheller
2.1 Eigenschaften, Geschichte und Verwendung von optischen Aufhellern
2.2 DAS1 und DSBP
2.2.1 DAS1
2.2.2 DSBP
2.3 Fluoreszenz der Aufheller
2.4 Photoisomerisierung
2.5 Toxikologie von DAS1 und DSBP
3. Umweltverhalten von DAS1 und DSBP
3.1 Bindungsverhalten
3.2 Abbau der Aufheller in der Umwelt
3.3 Verhalten der Aufheller im Boden
3.4 Verhalten der Aufheller in der Kläranlage
3.5 Verhalten der Aufheller in Gewässern
3.6 Ökotoxikologie
4. Analytik der Aufheller
5. Grundlagen der Adsorption organischer Stoffe im Boden
5.1 Adsorptionsmechanismen
5.2 Sorptionsrelevante Sorbenteigenschaften
5.3 Sorptionsrelevante Sorbateigenschaften
5.4 Anionenadsorption
5.5 Sorptionskinetik
5.6 Adsorptionsisothermen
6. Tonminerale
6.1 Aufbau der Tonminerale
6.1.1 Montmorillonit
6.2 Physikalisch-chemische Eigenschaften der Tonminerale
6.2.1 Spezifische Oberfläche
6.2.2 Oberflächenladungen
6.2.3 Ionenaustausch
6.2.4 Quellung
6.2.5 Flockung
6.2.6 Reaktivität der Tonminerale
7. Polysaccharide (Polyanionen)
7.1 Eigenschaften der Polyanionen
7.2 Bindungsverhalten der Polyanionen
7.3 Flockung durch Polyanionen
7.4 Polysaccharide als Bestandteile von Biofilmen
8. Huminstoffe
9. Versuchsdurchführung
9.1 Adsorption von DAS1 und DSBP an Natrium-, Calcium- und Eisen-Montmorillonit
9.1.1 Herstellung der Aufhellerlösungen
9.1.2 Herstellung der Tonlösungen
9.1.3 Zugabe der Aufheller
9.1.4 Messung am Photometer
9.2 Varianten bei der Adsorption von DAS1 und DSBP an Na- und Ca-Montmorillonit
9.2.1 saurer pH-Wert
9.2.2 Salzzugabe
9.3 Adsorption von DAS1 und DSBP an Tonpolymerkomplexen
9.3.1 Herstellung der Tonpolymerkomplexe
9.3.1.1 Ca-Montmorillonit-Polymeransätze
9.3.1.2 Na-Montmorillonit-Polymeransätze
9.3.2 Ansetzen von Aufheller/Tonpolymerkomplex-Gemischen
9.3.3 Messung am Photometer
9.4 Adsorption von DAS1 und DSBP an Ton-Huminstoff-Komplexen
9.4.1 Herstellung der Ton-Huminstoff-Komplexe
9.4.1.1 Ca-Montmorillonit-Huminsäure-Komplex
9.4.1.2 Na-Montmorillonit-Huminsäure-Komplex
9.4.2 Ansetzen von Aufheller/Ton-Huminstoff-Komplexen
9.4.3 Messung am Photometer
10. Ergebnisse
10.1 Adsorption der Aufheller an Tonmineralen
10.1.1 Adsorption von DAS1 an Calcium-Montmorillonit
10.1.2 Adsorption von DSBP an Calcium-Montmorillonit
10.1.3 Adsorption von DSBP an Calcium-Montmorillonit bei saurem pH-Wert (pH 3,5)
10.1.4 Adsorption von DAS1 an Calcium-Montmorillonit bei saurem pH-Wert (pH 3,5)
10.1.5 Adsorption von DAS1 an Natrium-Montmorillonit
10.1.6 Adsorption von DSBP an Natrium-Montmorillonit
10.1.7 Adsorption von DSBP an Natrium-Montmorillonit bei saurem pH-Wert (pH 3,5)
10.1.8 Adsorption von DAS1 an Natrium-Montmorillonit bei saurem pH-Wert (pH 3,5)
10.1.9 Adsorption von DSBP an Natrium-Montmorillonit bei Salzzugabe (10 mmol/l NaCl)
10.1.10 Adsorption von DAS1 an Eisen-Montmorillonit
10.1.11 Adsorption von DSBP an Eisen-Montmorillonit
10.2 Adsorption von Gum Xanthan an Tonmineralen
10.2.1 Tonpolymeransatz 1 und 2 (Ca-Montmorillonit)
10.2.2 Tonpolymeransatz 3, 4, 5 und 6 (Ca-Montmorillonit)
10.2.3 Tonpolymeransatz 7 und 8 (Na-Montmorillonit)
10.3 Adsorption der Aufheller an Tonpolymerkomplexen
10.3.1 Adsorption von DAS1 an Tonpolymerkomplex 5 (Ca-Montmorillonit Komplex)
10.3.2 Adsorption von DSBP an Tonpolymerkomplex 5 (Ca-Montmorillonit Komplex)
10.3.3 Adsorption von DAS1 an Tonpolymerkomplex 8 (Na-Montmorillonit Komplex)
10.3.4 Adsorption von DAS1 an Tonpolymerkomplex 9 (Na-Montmorillonit Komplex)
10.3.5 Adsorption von DSBP an Tonpolymerkomplex 7 (Na-Montmorillonit Komplex)
10.4 Adsorption von Aufhellern an Ton-Huminstoff-Komplexen
10.4.1 Adsorption von DAS1 an Na-Montmorillonit-Huminsäure-Komplex
10.4.2 Adsorption von DSBP an Na-Montmorillonit-Huminsäure-Komplex
10.4.3 Adsorption von DAS1 an Ca-Montmorillonit-Huminsäure-Komplex
10.4.4 Adsorption von DSBP an Ca-Montmorillonit-Huminsäure-Komplex
10.5 Zusammenfassung der Ergebnisse
10.6 Adsorptionsisothermen der Aufheller an Tonmineralen und Tonpolymer komplexen
11. Diskussion
11.1 Adsorption der Aufheller an Tonmineralen
11.1.1 Adsorption der Aufheller an Na-, Ca- und Fe-Montmorillonit
11.1.2 Adsorption von DSBP an Na- und Ca-Montmorillonit bei pH 3,5 und bei Salzzugabe
11.2 Adsorption der Aufheller an Tonpolymerkomplexen
11.3 Adsorption der Aufheller an Ton-Huminstoff-Komplexen
11.4 Geoökologische Bewertung des bodenchemischen Verhaltens der Aufheller
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht das bisher kaum erforschte Adsorptionsverhalten optischer Aufheller (DAS1 und DSBP) an Bodenbestandteilen wie Tonmineralen und organischen Tonkomplexen. Ziel ist es, Wissenslücken bezüglich der Bindungsstärke, Abbaugeschwindigkeit und potenziellen Akkumulation dieser Stoffe im Boden zu schließen, um eine fundierte ökologische Bewertung zu ermöglichen.
- Grundlagen zur Fluoreszenz, Photoisomerisierung und Toxikologie optischer Aufheller.
- Analyse des Umweltverhaltens (Bindung, Abbau) in Boden, Kläranlagen und Gewässern.
- Experimentelle Untersuchung der Adsorptionsmechanismen an verschiedenen Tonmineralmodifikationen (Na-, Ca-, Fe-Montmorillonit).
- Simulation von Bodenverhältnissen durch die Verwendung von Ton-Polymer- und Ton-Huminstoff-Komplexen.
- Diskussion der geoökologischen Relevanz und Ableitung von Vorhersagen für das Schicksal der Aufheller im Boden.
Auszug aus dem Buch
1. Einführung
Optische Aufheller sind Bestandteile in Waschmitteln, die die Helligkeit von weißen Texti lien erhalten sollen. Während des Waschvorgangs adsorbieren sie an die Gewebefaser, ein Teil verbleibt allerdings in der Waschlösung und gelangt so in das Abwasser und die Kläran lage. Dort wird ein großer Anteil der Aufheller an den Klärschlamm adsorbiert, der Rest wird in die Gewässer eingetragen. Ein Teil des Klärschlamms wird auf landwirtschaftliche Böden aufgebracht. Wegen der Resistenz der Aufheller gegen mikrobiellen Abbau ist bei kontinuier lichem Klärschlammeinsatz eine Akkumulation im Boden denkbar. Um dies genauer beurtei len zu können, sind Daten über das Adsorptionsverhalten und dem Abbau im Boden notwen dig.
Über das Umweltverhalten der Aufheller existieren eine Reihe von Untersuchungen, die in tensiv den Verbleib in Kläranlagen und Gewässern erforschten. Diese Studien sind zum gro ßen Teil in der Schweiz von der Eidgenössischen Anstalt für Wasserversorgung, Abwasserei nigung und Gewässerschutz (EAWAG) und der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) durchgeführt worden.
Bisher gibt es aber kaum Untersuchungen über das Verhalten im Boden. Weder zu Reaktio nen mit Bodenbestandteilen noch zum Abbau im Boden liegen Ergebnisse vor. Dieser Kennt nismangel erschwert eine Beurteilung der Aufheller im Hinblick auf die Adsorptionsstärke und die Abbaugeschwindigkeit im Boden, wodurch eine Akkumulation im Boden und eine Auswaschung ins Grundwasser nicht genügend abgeschätzt werden kann. Um diese Wissens lücke etwas zu schliessen, entstand die vorliegende Diplomarbeit mit dem Ziel, die Adsorpti on der Aufheller an Tonmineralen und organischen Tonkomplexen zu untersuchen.
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einführung: Darstellung der Problematik von optischen Aufhellern als potenzielle Bodenkontaminanten und Zielsetzung der experimentellen Adsorptionsuntersuchungen.
2. Optische Aufheller: Überblick über Eigenschaften, chemische Strukturen (DAS1, DSBP), Fluoreszenzeffekte, Photoisomerisierung sowie toxikologische Bewertungen.
3. Umweltverhalten von DAS1 und DSBP: Erläuterung des Verbleibs in verschiedenen Umweltmedien, von Kläranlagen über Gewässer bis hin zu ersten Ansätzen zur Bodenproblematik.
4. Analytik der Aufheller: Beschreibung der angewandten Methoden, insbesondere der Photometrie, zur Detektion der Konzentrationen in wässrigen Lösungen.
5. Grundlagen der Adsorption organischer Stoffe im Boden: Theoretische Einführung in Adsorptionsmechanismen, Bindungskräfte (van-der-Waals, hydrophob, etc.) und mathematische Modelle (Isothermen).
6. Tonminerale: Detaillierte Betrachtung des Aufbaus, der physikalisch-chemischen Eigenschaften (Ladungen, Quellung) und der Reaktivität von Tonmineralen wie Montmorillonit.
7. Polysaccharide (Polyanionen): Untersuchung der Eigenschaften, des Bindungsverhaltens und der flockungsfördernden Wirkungen von Polyanionen wie Gum Xanthan auf Tonminerale.
8. Huminstoffe: Kurzer Überblick über die Rolle von Huminstoffen als organische Kolloide und deren Interaktion mit Tonmineraloberflächen.
9. Versuchsdurchführung: Dokumentation des methodischen Vorgehens bei den Adsorptionsversuchen an verschiedenen Ton- und Komplexproben unter Ausschluss von UV-Licht.
10. Ergebnisse: Präsentation der gemessenen Adsorptionsdaten für DAS1 und DSBP an den verschiedenen untersuchten Sorbenten und deren Zusammenfassung.
11. Diskussion: Interpretation der experimentellen Ergebnisse hinsichtlich der Bindungsmechanismen und Ableitung einer geoökologischen Bewertung des Verhaltens im Boden.
Schlüsselwörter
Optische Aufheller, DAS1, DSBP, Adsorption, Bodenkunde, Tonminerale, Montmorillonit, Polyanionen, Gum Xanthan, Huminstoffe, Klärschlamm, Bodenbelastung, Photometrie, Umweltverhalten, Bindungskräfte.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit?
Die Arbeit untersucht das bisher wenig erforschte Adsorptionsverhalten der optischen Aufheller DAS1 und DSBP an Bodenbestandteilen, um das Risiko einer Akkumulation im Boden bei Klärschlammaufbringung zu bewerten.
Welches sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Felder umfassen die Bodenphysik und Bodenchemie (insbesondere Tonminerale und deren Oberflächeneigenschaften), die organische Bodenkomponente (Polysaccharide, Huminstoffe) und das Umweltverhalten von anthropogenen Chemikalien.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Ziel ist die experimentelle Bestimmung der Adsorptionskapazität von Tonmineralen und deren Modifikationen (Ton-Polymer- oder Ton-Huminstoff-Komplexe) gegenüber den beiden gängigen Aufhellern DAS1 und DSBP.
Welche wissenschaftlichen Methoden wurden verwendet?
Es wurden kontrollierte Adsorptionsversuche durchgeführt, deren Konzentrationen mittels Photometrie (UV-Absorption) in einer abgedunkelten Laborumgebung gemessen wurden, um Photoisomerisierung zu vermeiden.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen zu Adsorptionsmechanismen und Tonmineralen sowie in einen experimentellen Teil, in dem die Adsorption an verschiedenen Substraten (Na-, Ca-, Fe-Montmorillonit und Komplexen) quantifiziert wird.
Welche Schlüsselbegriffe charakterisieren die Arbeit?
Typische Begriffe sind Adsorptionsisothermen, Ionenaustausch, Photoisomerisierung, Klärschlamm, Montmorillonit und Bindungskräfte.
Warum spielt die Wahl der Kationen (Na, Ca, Fe) am Ton eine Rolle?
Die Kationen beeinflussen die Ladung und die Schichtstruktur des Montmorillonits maßgeblich. Fe3+ zeigte beispielsweise eine deutlich höhere Adsorptionskapazität für die Aufheller als Na+.
Welchen Einfluss haben Polysaccharide auf die Adsorption?
Polysaccharide wie Gum Xanthan können als Brückenbildner fungieren oder zusätzliche Bindungsstellen bereitstellen, was die Adsorption insbesondere von DAS1 an Tonminerale signifikant steigern kann.
Warum konnte DSBP kaum an Tonmineralen adsorbiert werden?
Die Untersuchung deutet darauf hin, dass die chemische Anordnung der Sulfonatgruppen bei DSBP ungünstiger für die Ausbildung stabiler Kationbrücken ist als bei DAS1, was die Bindung erschwert.
Was ist das geoökologische Fazit für DAS1 im Boden?
DAS1 neigt bei Anwesenheit von Elektrolyten zur Ausflockung. Dies könnte in landwirtschaftlichen Böden dazu führen, dass der Stoff weniger an Bodenpartikel gebunden bleibt und stattdessen mobil in tiefere Schichten oder das Grundwasser gelangt.
- Quote paper
- Arne Heidel (Author), 2003, Adsorption optischer Aufheller aus Waschmitteln an Tonmineralen und tonorganischen Komplexen, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/47336
