Umweltgeologie. Was ist das? Anthoposphäre. Hat das Anthropozän bereits begonnen?

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1 Umweltgeologie Anthoposphäre Was ist das? Hat das Anthropozän bereits begonnen?

2 Umweltgeologie Neu: 2015 Hilberg, S. (2015) Umweltgeologie, Springer, 245 pp.

3 Umweltgeologie Weitere Literatur 1. Andrews et al. (2003) An introduction of environmental chemistry, Wiley, New York, 320 pp. 2. Wright, J. (2003) Environmental Chemistry. Routledge Introductions to Environment: Environmental Science, 419 pp.

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6 1) Erdwärmebohrung 2009: Wohnhaus in Kamen erneut evakuiert

7 Ursache des Einsturzes: Erdwärmebohrungen vergrößerten bereits vorhandene Risse im Felsgestein

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9 Umweltgeologie Querschnittsfach Ingenieurgeologe: Raumplanung: Bauplätze sicher vor Massenbewegungen und Überflutungen? Trassenführung welche Sicherungsmaßnahmen sind erforderlich? Rohstoffgeologe: Rohstoffe wo finde ich sie? Abbau wirtschaftlich? Wieviel Reserven gibt es? Hydrogeologe: Wasserversorgung: Ist die Wasserversorgung (und Entsorgung) gewährleistet? Ist eine Schadlose Entwässerung versiegelter Flächen möglich?

10 Umweltgeologie Umweltgeologe: untersucht die Auswirkung der menschlichen Aktivitäten auf die Umwelt Welche Schadstoffe werden bei Produktionsprozessen mobilisiert oder werden über Regenwasser in den Untergrund eingeleitet? Welche Kontaminationen entstehen bei Rohstoffgewinnung? Welche Gefahren gehen von Altablagerungen aus? Sind Sanierungsmaßnahmen erforderlich?

11 Umweltgeologie Themenbereiche Rohstoffe (Bergbau, Berbaufolgelandschaften) der Mensch als geologischer Faktor, der seit der späten Steinzeit grabend, schürfend und gestaltend in die Erde eingriff Wasser (ebenfalls ein Rohstoff) Beschaffenheit & Schutz, Erkundung, Resourcenmanagment, Umweltmonitoring, Geothermie, Mineralwasser & Heilquellen, CO 2 -Einlagerung Abfallmanagment & Altlasten Erkennen und Bewerten von Altlasten; Deponierung von Abfällen; Sanierung & Dekontamination Geologische Risiken: Erdbeben, Hochwasser, aber auch Bodenhebung durch quellende Mineralien oder Erdeinbrüche viele dieser Problematiken sind ja in jüngster Zeit akut geworden. Energieversorgung: Erneuerbare Energien (Wasserkraft, Geothermie, Photovoltaik)

12 Der Mensch als geologischer Faktor Agricola über den mittelalterlichen Erzabbau in De Re Metallica:

13 Der Mensch als geologischer Faktor

14 Kreislaufkonzept

15 Systemkonzept Isoliertes System Geschlossenes System Offenes System Erde = geschlossenes System die verfügbaren Ressourcen sind begrenzt. Sie unterliegen Umwandlungs- und Transportprozessen

16 System Hydrosphäre Meerwasser Süßwasser

17 Der globale Wasserkreislauf

18 Spezielle Stoffkreisläufe Kohlenstoffkreislauf kurzfristiger Kohlenstoffkreislauf langfristiger Kohlenstoffkreislauf Stickstoffkreislauf Schwefelkreislauf anthropogen bedingte Kreisläufe

19 Stoffkreisläufe Kohlenstoffkreislauf

20 Stoffkreisläufe Kohlenstoffkreislauf langfristiger Kohlenstoffkreislauf Kalzitlösung: CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca HCO 3 - Silikatlösung: MSiO 3 + H 2 O + 2CO 2 M HCO SiO 2

21 Stoffkreisläufe Stickstoffkreislauf

22 Anthropogene Kreisläufe Kunststoffe (umgangssprachlich: Plastik) Polyethylen Polyprophylen Polyvinylchlorid (PVC) und viele andere Polymerverbindungen Verbreitungspfade: Atmosphare, Pedosphäre, Hydrosphäre und durch Nahrungskette zurück zum Menschen

23 Anthropogene Kreisläufe Great Pacific Garbage Patch

24 North Pacific garbage patch

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26 Stofftransport Die wichtigsten Transport- bzw. Umwandlungsmechanismen eines (Schad)-Stoffes in einem porösen Medium sind: Konvektion: durch Potentialdifferenzen (Druck, Temperatur, Dichte, Gravitation) angetriebene Bewegung

27 Stofftransport Advektion: In der Hydrologie bezeichnet man als Advektion den Transport eines im Wasser gelösten bzw. suspendierten Stoffes mit der Strömung des Wassers, also mit dessen mittlerer Geschwindigkeit und Richtung (Bewegung mit Grundwasserströmung). Fluss eines Stoffes bestimmter Konzentration pro Zeit und Fläche

28 Stofftransport Diffusion: Durchmischung zweier oder mehrere Stoffe Reduzierung oder Aufhebung von Konzentrationsunterschieden

29 Stofftransport Dispersion: bewirkt eine unregelmäßige Stoffausbreitung infolge unterschiedlicher Fließgeschwindigkeiten

30 Stoffumwandlung Aufenthaltszeit einer Chemikalie in einem definierten Umweltbereich ist abhängig von Reaktivität oder Persistenz. Hohe Persistenz bedeutet meist Akkumulation.

31 Schadstoffabbau Abbau: vollständige Eliminierung aus dem Umweltbereich. Wichtigste Abbaureaktion: Oxidation Mineralisierung: vollständiger Abbau zu CO 2, H 2 O und Zuwachs an Biomasse der beteiligten Organismen (biotische Umwandlung). Die Bildung von CO 2 und H 2 O ist eine Zeitfrage d.h. jeder organische Stoff ist abbaubar.

32 Chemisch-biologischer Abbau Veränderungen durch chemische oder chemisch-biologische Abbauprozesse führen zu einem Abbau der Schadstoffe im Untergrund. Einfachster Ansatz ist die Reaktion 1. Ordnung, d.h. die Abbaurate λ ist proportional zur Konzentration dc/dt = -λ x C 0 (C = Konzentration, C0 = Anfangskonzentration, t = Zeit, λ = Abbaukonstante) Die Bestimmung der Abbaukonstanten λ ist schwierig. Abbaukonstanten für Schadstoffe, wie sie in der Altlastensanierung häufig vorkommen, sind nur wenig bekannt und von Fall zu Fall sehr unterschiedlich. In der Regel können sie nur aus einer Massenbilanz bestimmt werden.

33 Schadstoffe Schadstoff: Stoff, der auf ein System, das man betrachtet, schädigend einwirkt. Schadstoffe durch Landwirtschaft Pestizide (Herbizide, Insektizide, Fungzide) Schadstoffe natürlichen Ursprungs (Solanin in grünen Kartoffeln) organische Schadstoffe anorganische Schadstoffe

34 Organische Schadstoffe Schwermetalle: Metall, dessen Dichte größer als 5 g/cm ist. Blei, Cadmium, Chrom, Kupfer, Mangan, Nickel, Platin, Quecksilber, Zink Salze dieser Schwermetalle wurden nicht nur in der galvanischen Industrie eingesetzt, sondern auch als Imprägniermittel in der Holzindustrie. Zahlreiche Schwermetalle entfalten in Form der löslichen Salze schon in sehr geringen Konzentrationen toxische Wirkungen. Beispiel: Einsatz von Quecksilber beim Gold- Kleinbergbau (Garimpos)

35 Arsen: (Halbmetall) Organische Schadstoffe Arsen im Grundwasser

36 Organische Schadstoffe Cyanide: Salze der Blausäure (HCN) Beispiel: Cyanidlaugerei 4 Au + 2H 2 O + O 2 + 8KCN 4 K[Au(CN) 2 ] + 4KOH Nach der Fällung (Reduktion) mit Zinkstaub scheidet sich Gold als Schlamm ab: 2 K[Au(CN) 2 ] + Zn 2 Au + K 2 [Zn(CN) 4 ] In der Lebensmittelindustrie werden die Cyano-Komplexe als Lebensmittelzusatzstoff verwendet. Die Salze sind in geringen Mengen als künstliche Rieselhilfe, Trennmittel und Stabilisator für Kochsalz und Kochsalzersatz zugelassen.

37 Anorganische Schadstoffe Chemische Verbindungen des Kohlenstoffs chlorierte Kohlenwasserstoffe (CKW), fluorierte Chlorkohlenwasserstoffe (FCKW), polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK), polychlorierte Biphenyle (PCB), Dioxine und Furane, Pflanzenschutzmittel, Arzneimittel, die in die Umwelt gelangen

38 LCKW Aliphatische KW: Moleküle mit einem oder mehreren offenen, kettenförmigen Kohlenwasserstoffresten. Bestehen ausschließlich aus Kohlenstoff und Wasserstoffatomen Azyklische KW: in geraden oder verzweigten Ketten miteinander verbunden. Zyklische KW: enthalten ringartige Bindungen. Aromatische KW: Kohlenwasserstoffe mit Ringsystemen Heterozyklen: enthalten im Ring andere Elemente neben C-Atomen BTEX = Benzol, Toluol, Etlybenzol, Xylol PAK = polyzyklische aromatische KW LCKW = leichtflüchtige chlorierte KW

39 Aliphatische Kohlenwasserstoffe (Alkane) gesättigte Kohlenwasserstoffe mit C-C-Einfachbindungen Die ersten vier sind gasförmig, danach sind sie flüssig und werden bei langen Kettenlängen und steigender Molekülmasse zunehmend zähflüssig.

40 Aliphatische Kohlenwasserstoffe (Alkane) gesättigte Kohlenwasserstoffe mit C-C-Einfachbindungen MKW (Mineralölkohlenwasserstoffe) Eingesetzt im Heizöl, Benzin und Diesel und in der Metall verarbeitenden Industrie. Geringe mengen reichen aus, um das Trinkwasser geschmacklich zu beeinflussen Beispiel: Pentan C 5 H 12

41 Aromatische Kohlenwasserstoffe Zyklische KW Verbindungen mit C-Doppelbindungen 1. BTEX Gruppe (Einringaromaten) Bestandteile des Benzins; haut- und schleimhautreizend. Toluol ist fruchtschädigend, Benzol wirkt giftig. Neben Einring- existieren auch Mehrringaromaten (polyzyklische Aromaten)

42 Aromatische Kohlenwasserstoffe Zyklische KW Verbindungen mit C-Doppelbindungen 2. Phenole: OH oder NO x an Stelle von Wasserstoff oder CH-Gruppen Phenol Pikrinsäure

43 Aromatische Kohlenwasserstoffe Zyklische KW Verbindungen mit C-Doppelbindungen 2. PAK (polyzyklische aromatische KW) bestehen also aus mehr als einem Ring) Sind in Mineralölen, Bitumen, Pech, Teer und Ruß enthalten, also in Produkten, die zur Straßenbefestigung, zur Isolation und zur Imprägnierung von Holz eingesetzt wurden. Die Stoffe sind als krebserregend eingestuft. Naphtalin (C 10 H 8 )

44 Halogenierte Kohlenwasserstoffe Wasserstoffatome durch ein Halogen, meist Chlor (CKW), oder Chlor und Fluor (FCKW) ersetzt LCKW leichtflüchtige chlorierte KW (kettenförmige aliphatische KW) Tetrachlorethen (Trivialname Per) und Trichlorethylen (Tri) zur Entfettung von Metallteilen und als Lösungsmittel in der Industrie. Beide Stoffe sind als krebsauslösend eingestuft. Zwei bekannte Substanzen dieser Gruppe: Methylchlorid (CH 3 Cl) und Chloroform (CHCl 3 ) FCKW Fluorchlorkohlewasserstoffe

45 Halogenaromaten Ringverbindungen, in denen Wasserstoffatome gegen Halogen ersetzt werden Chlorbenzol (C 6 H 5 Cl) Lösungsmittel verwendet für Öle, Fette, Harze DDT (Dichlordiphenyltrichloretan, C 14 H 9 Cl 5 ) war es jahrzehntelang (c ) das weltweit meistverwendete Insektizid. Wurde auch am Menschen zur Entlausung verwendet.

46 Dioxine & Furane Sauerstoffhaltige Derivate von halogenierten KW Persistente organische Schadstoffe - werden in der Umwelt kaum abgebaut.

47 Weitere Beispiele für organische Schadstoffe in Böden PAHs = PAKs = polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe

48 Mobilität und Abbauverhalten von Schadstoffen Abhängig von: Chemisch-physikalische Beschaffenheit des Schadstoffes Beschaffenheit des Untergrundes (Durchlässigkeit, Korngröße, organische Substanz) Beispiel LCKW Abbau: Tetrachlorethen C 2 Cl 4 Trichlorethen C 2 HCl 3 Dichlorethen C 2 H 2 Cl 2 Vinylchlorid C 2 H 3 Cl

49 Schadstoffausbreitung Schadstoffen in Altlasten: Müllkippe Tankstelle, Öltanks (MKW) Gaswerke (PAK) Chemische Reinigung (LCKW)

50 Altlastenbearbeitung in Baden-Württemberg

51 Schadstoffausbreitung Altstandort Gaswerk als Gefahrenquelle Im Gaswerk werden Teerbestandteile vom Rohgas abgetrennt. PAKs sind Hauptbestandteile des Teers. PAKs sind schwerer als Wasser und gering wasserlöslich und sinken in den Grundwasserkörper ab. Werden je nach Molekülgröße unterschiedlich schnell adsoptiv gebunden.

52 Schadstoffausbreitung Altstandort Tanklager Kraftstoffe gelangten durch Tropfverluste beim Betanken, durch undichte Kraftstoffbehälter, Domschächte, Leitungen oder Fördereinrichtungen in den Untergrund. Sowohl Dieselkraftstoff als auch Benzin sind wassergefährdende Stoffe. Benzin enthält das krebserregende Benzol. Als Antiklopfmittel wurden in früheren Jahren auch giftige Bleiverbindungen zugesetzt. Diesel enthält neben PAKs auch MKWs.

53 Schadstoffausbreitung Alte Müllkippe Noch in den sechziger Jahren wurde der Müll in Kiesgruben oder Geländemulden, meist ohne Untergrundabdichtung, abgelagert. Durch eingedrungenes Niederschlagswasser wurden Schadstoffe ausgewaschen und ins Grundwasser verfrachtet. Im schlimmsten Fall lag der Deponiefuß direkt im Grundwasser.