Vorlesung 2. -Sorption und Abbau-

Transkript

1 Vorlesung 2 -Sorption und Abbau- Prof. Dr. Sabine Attinger Katharina Ross

2 Bilanzgleichung in 1D Der Fluss der transportierten Masse über die Gesamtfläche eines Kontrollvolumens ist gleich der Nettoänderung der Masse pro Zeit in diesem Kontrollvolumen ( nc) t + x ( ) = 0 j x

3 1D-Transportgleichung Wenn ein gelöster Stoff sich sowohl advektiv, als auch diffusiv in einer Flüssigkeit bewegt, dann gilt folgende Gleichung ( nc) t + x x x ( v c) nd c = 0 x

4 1-D (konservativer) Transport Konzentration nimmt im Zentrum der Verteilung ab Kein Verlust an der Gesamtmasse 1.0 C/C t 1 t 2 t Time

5 1-D Transport D = dσ dt Schwerpunkt: x s = vt/n Breite der Verteilung: σ = 2 Dt = 2DxS n / v Transportmodellierung

6 Aufgabe 2.1 Welche Prozesse sind noch nicht in der Transportgleichung berücksichtigt? Diskutieren Sie anhand des Beispiels von TCE und PCE!

7 Massenbilanz: in 1D Zeitintervall [t, t+dt] j Speicherung von gelöster Masse ( x) total, x j ( x + x ) total,x V=A x x x x+ x Verluste aus Abbau nach Reaktion 1. Ordnung

8 Verlust durch Abbau Reaktionen erster Ordnung sind von der Form A Produkte. Hierbei zerfällt A mit einer Reaktionsgeschwindigkeit, die proportional zu seiner Konzentration c=[a] ist t c = λcc mit der Zerfallskonstanten in den Einheiten 1/s, und der Lebensdauer τ = 1/ λ bzw. Halbwertszeit τ ln(2) / λ 1 / 2 = λ Beispiele: Radioaktiver Zerfall

9 j Massenbilanz: in 1D Zeitintervall [t, t+dt] Speicherung von gelöster Masse ( x) total, x j ( x + x ) total,x V=A x x x x+ x Verluste aus Abbau nach Reaktion 1. Ordnung Erhaltungsgleichung für gelöste Masse ( x) j ( x + x) ( j ) A t = m( t + t) m( t) nλ c Ω t total,x total,x

10 Transportgleichung 1D ( j ( x) j ( x + x) ) A t = m( t + t) m( t) nλ cdω t total,x total,x Im Limes: t x ( nc( t) ) + j ( x) = nλc total,x

11 Massenbilanz: in 1D Zeitintervall [t, t+dt] j Speicherung von gelöster Masse ( x) total, x j ( x + x ) total,x V=A x x x x+ x Sorption

12 Sorption Oberbegriff für die Anreicherung eines Stoffes in einem Phasengrenzgebiet. Die sorbierende Festphase bzw. Grenzfläche ist das Sorbens, der Sorbent oder das Sorptionsmittel. Der aufzunehmende, noch nicht sorbierte Stoff wird als Sorptiv bezeichnet, der an- oder eingelagerte (sorbierte) Stoff als Sorbat. Die Ursachen für Sorption sind unterschiedlichste chemische, physikalische oderelektrostatische Wechselwirkungen zwischen Sorbent auf der einen Seite und Sorbat bzw. Sorptiv auf der anderen.

13 Sortion Adsorption ist die Anlagerung des Sorptivs an die Oberfläche des Sorbens. Es ist ein reversibler Gleichgewichtsprozess, der durch Konzentrationsänderungen, Temperatur Verdrängungsreaktionen beeinflusst und verschoben werden kann. Absorption bezeichnet man die irreversible Bindung, Aufnahme oder Einlagerung des Sorptivs an/durch/in das Sorbens. Desorption ist der gegenläufige Prozess, d. h. die Ablösung adsorbierter Stoffe vom Sorbenten Transportmodellierung

14 Sorption Sorption, insbesondere Adsorption und Desorption, spielt beim Verhalten von Schadstoffen in der Umwelt eine wichtige Rolle. Schadstoffe können durch Sorption an die Bodenmatrix längerfristig gebunden werden. Schwerwasserlösliche und/oder schwerflüchtige Schadstoffe können durch Sorption an Kolloide oder suspendierte Teilchen im Wasser (auch Bodensickerund Grundwasser) über weite Strecken transportiert werden (Co-Sorption, Co-Transport).

15 Sorption Bei schneller Adsorption kann von einem Gleichgewicht zwischen adsorbierter und gelöster Stoffkonzentration ausgegangen werden. c_ad = f (c_aq) c_ad = adsorbierte Konzentration am Feststoff f = Isotherme c_aq = Konzentration in der Wasserphase

16 Sorption Obwohl die Isotherme i.a. eine nichtlineare Funktion ist (Freundlich- und Langmuir-Isotherme), kann sie im einfachsten Fall durch eine lineare Funktion approximiert werden: c_ad = Kd c_aq c_ad = adsorbierte Konzentration am Feststoff Kd = Adsorptionskoeffizient (Achtung: Einheiten ml/g!!) c_aq = Konzentration in der Wasserphase Der Adsorptionskoeffizient ist abhängig vom gelösten Stoff und dem Aquifermaterial ---> Vielzahl von Kd-Werten!

17 Sorption Retardationseffekt der Adsorption: Es lässt sich theoretisch zeigen, dass eine Adsorption, die durch eine lineare Isotherme beschrieben wird, eine effektive Verlangsamung der Stoffpartikel-Geschwindigkeit in der mobilen Wasserphase und damit eine Retardation des Eintreffens der Stofffront an einem Beobachtungspunkt bewirkt. Die effektive Abstandsgeschwindigkeit des Wasserinhaltsstoffes v_eff wird gegenüber der des Wassers verkleinert.

18 Adsorptionskoeffizient Kd Kd [ml/g] = Masse des adsorbierten Stoffes pro g/ Masse des adsorbierten Stoffes in Lösung Sorption führt dazu, daß der Transport des gelösten Stoffes retardiert wird. Daher wird ein Retardierungsfaktor definiert als Rf = 1 + (Dichte pb/ effektive Porosität n_e )Kd mit pb = Dichte (Masse/V) n_e = effektive Porosität (Porenvolumen/V)

19 Transportgleichung 1D ( j ( x) j ( x + x) ) A t = R( m( t + t) m( t) ) nλ cdω t total,x total,x Im Limes: R t x ( nc( t) ) + j ( x) 0 total, x = Transportmodellierung

20 Lineare reversible Sorption Zeitliche Verzögerung, Retardierung 1.0 C/C t 1 t 2 t Time C/C t 1 t 2 t Time

21 Transportverhalten