1 Partikel / Mineral / Phase

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1 1 Partikel / Mineral / Phase Agglomerat eine mehr oder weniger verfestigte Anhäufung von vorher losen Bestandteilen Nanosan-relevant: kein Begriff der Kolloidchemie, d.h. Aggregat besser geeignet Aggregat durch Aggregation entstandener Körper, der gesamt gesehen keine einheitliche kristalline Fernordnung aufweist Nanosan-relevant: Ferrihydrit in ionaren Lösungen = aggregierte Ferrihydritkristallite bulk-fe allgemeiner Begriff für nichtdispergiertes Eisenoxid bezieht sich auf große Kristalle (>1 μm) (z.b. stetig gewachsene Goethitkristalle) Nanosan-relevant: nicht anwendbar für Ferrihydrit (nanokristallines Mineral), deshalb diesbezüglich Unterscheidung in Makro- vs. Nanoaggregate besser Chelat Sonderform von Komplexen, bei denen ein Ligand (Chelator) koordinative Bindungen mit dem Zentralatom über mindestens zwei e - -Paare (bidentat, tridentat ) eingeht (z.b. Fe-EDTA) stabiler als monodentate Komplexe (koordinative Bindung über ein e - -Paar) Nanosan-relevant: Chelatisierung von Fe möglich, allerdings in der Natur eher unter oxischen Bedingungen zur Erhöhung der Bioverfügbarkeit von Fe(III) zu erwarten (z.b. Siderophore) DOM / DOC gelöste organische Substanz / Kohlenstoff (dissolved organic matter / carbon) Teil des SOM, der löslich in Wasser bzw. niedrig ionaren wässrigen Lösungen (z.b. Grundwasser, Bodenlösung) ist heterogene Mischung von organischen Spezies mit hoher Varianz in Struktur und funktionellen Eigenschaften DOC-Konzentration messbar (C-Analyzer) DOM-Konzentration nicht messbar, da Strukturformel nicht bekannt (Faustregel: OM/OC = 1,7) Huminstoffe terrestrische HS: Teil des SOM, der löslich in stark alkalinen Lösungen ist (NaOH- Extraktion) aquatische HS: Teil des in (Oberflächen-)Gewässern gelösten OM Nanosan-relevant: Huminstoff-induzierte Effekte auf Fe-Oxide nicht 1:1 auf DOMinduzierte Effekte übertragbar (Komplexbildung )

2 Kolloid Partikel mit einer Größe von nm sind in einer kontinuierlichen Phase gleich verteilt (= dispergiert) als gelöste Substanz (makromolekulare Strukturen, Komplex) oder als andersartige Phase (z.b. als Fest- in Flüssigphase [= Sol], Flüssig- in Gasphase [= Aerosol], Gas- in Flüssigphase [Schaum]) Nanosan relevant: kolloidale Lösungen (Suspensionen) mit dispergierten, d.h. nicht sedimentierenden Partikeln (Eisenoxid-Kolloide) Komplex chemische Verbindung, bei der ein Zentralatom (Metallion oder -atom) Lücken in seiner Elektronenkonfiguration aufweist, so dass sich ein oder mehrere Moleküle oder Ionen, die Liganden, anlagern können (koordinative Bindung, d.h. gemeinsames e - -Paar wird nur von Ligand bereit gestellt; vergleichbar mit kovalenter Bindung) DOM / Huminstoffe können Fe komplexieren (Aktivierung) Nanosan-relevant: Fe-Komplexe Fe-Oxide, erfüllen aber streng genommen die Definition für Kolloide Kristall ein stofflich und physikalisch homogener Körper, dessen Atome oder Moleküle, welche gleichbleibende strukturellen Einheiten (Einheitszelle) bilden, nicht zufällig, sondern regelmäßig in einem Gitter (also in allen Raumrichtungen) angeordnet sind Nanosan-relevant: die Fernordnung der Einheitszellen im Kristall wird mit Röntgenbeugung (X-ray diffraction, XRD) beschrieben Kristallit Bereich in einem Kristall, in dem die Einheitszellen in wiederkehrender Folge gleich ausgerichtet sind (Fernordnung) Kristall kann aus Kristalliten zusammengesetzt sein (polykristallin), muss es aber nicht (monokristallin) Nanosan-relevant: Kristallitgröße = u.a. mineraltypische Eigenschaft, z.b. bei Ferrihydrit sehr gering (<10 nm) Makroaggregat Aggregatgröße >1 μm nicht dispergiert in wässriger Lösung, sondern der Schwerkraft folgend sedimentierend Nanosan-relevant: passender Begriff zur Beschreibung von Ferrihydrit, der nicht als dispergiertes Kolloid sondern als Sediment vorliegt (vermeiden: bulk-fe) Matrix Mischung von Materialien / Phasen, wobei Bestandteile in andere eingebettet sind Nanosan-relevant: nicht eindeutige Beschreibung von porösen Medium (besser: Aquifer, poröses Medium, Quarzsand )

3 Mineral natürlicher Festkörper, der eine Kristallstruktur besitzt Nanosan-relevant: Unterscheidung von Ferrihydrit, Goethit Nanoaggregat Aggregatgröße <1 μm, d.h. wie Kolloide bzw. Nanopartikel nicht sedimentierend, sondern dispergiert durch Brownsche Molekularbewegung Nanosan-relevant: passender Begriff zur Beschreibung von dispergierten Ferrihydrit in ionaren Lösungen (vermeiden: Nanopartikel, da sich dieser Begriff auch auf die einzelnen Ferrihydritkristallite beziehen könnte) Nanopartikel Partikel mit kolloidalen Eigenschaften (Kolloid), dessen räumliche Ausdehnung unterhalb einer materialspezifischen Grenze ist, was zu besonderen, größenabhängigen Eigenschaften führt ( Nano-Effekt, d.h. nicht Art des Minerals, sondern dessen Größe entscheidend für Eigenschaften) gemeinhin akzeptiert: kritische Größe <100 nm, d.h. Nanopartikel sind zwischen nm (in mindestens einer Raumrichtung; Vorsicht vor Nano-Absurditäten (z.b. Tonminerale nur wenige nm hoch, aber mehrere 100 nm breit keine Nano- Effekte bei diesen Dimensionen)) Nanosan-relevant: Kolloidbegriff eigentlich ausreichend, da: Phase o Nano-Effekt für die untersuchten Eisenoxide z.z. nicht nachgewiesen o kritisch bei Ferrihydrit-Nanopartikel: Bezug auf Größe des Kristallits oder des Aggregats? ABER Nanosan Lösung für Ferrihydrit: Nanoaggregat homogener Bereich hinsichtlich physikalischer Parameter und chemischer Zusammensetzung Nanosan-relevant: Festphase = Minerale, Flüssigphase = wässrige, ionare Lösungen (z.b. Grundwasser) SOM organische Substanz im Boden / Aquifer (soil organic matter) sehr heterogene Mischung von organischen Spezies mit hoher Varianz in Struktur und funktionellen Eigenschaften

4 2 Prozesse / Reaktionen Aggregation Verklumpen von Kolloiden kann reversibel (Flokkulation) oder irreversibel sein (Koagulation) kann z.b. durch hohe Ionenstärken induziert werden Nanosan-relevant: Aggregation führt zur Erhöhung der Partikelgröße und verändert dadurch deren Transporteigenschaften, d.h. die Mobilität im porösen Medium wird verringert bis hin zur Sedimentation Aktivierung Erhöhung der Verfügbarkeit von Fe(III) als e - -Akzeptor für den mikrobiellen Stoffwechsel o Erreichbarkeit von für Mikroorganismen unzugänglichen Fe-Oxiden org. Spezies als e - -shuttle (nicht durch Injektion mit Fe-Oxid-NP steuerbar) o Verhinderung der Adsorption von (mikrobiell gebildeten) Fe(II) an der Oberfläche von Fe-Oxiden (Passivierungsschicht) Brownsche Molekularbewegung ungerichtete Wärmebewegung von Teilchen in Flüssigkeiten oder Gasen, welche u.a. bei Kolloiden auftritt führt zur Gleichverteilung in Suspensionen, da die Schwerkraft, die eine gerichtete Bewegung (Erdmittelpunkt) bedingt, die Partikelbewegung nicht kontrolliert Bewegungsgeschwindigkeit nimmt zu, je kleiner die Partikelgröße Nanosan-relevant: Partikel / Aggregate (egal ob >100 oder <100 nm; Kolloid, Nanopartikel) sollen während der Ausbreitungsphase die Bedingungen für die Brownsche Molekularbewegung erfüllen DLVO-Theorie Theorie nach B. Derjaguin, L. Landau, E. Verwey und J. Overbeek, die die Stabilität von Kolloiden in einer Suspension aus der Bilanz von abstoßenden Kräften (elektrostat. Interaktionen zwischen den Kolloiden) und anziehenden Kräften (van-der-waals- Interaktionen) ableitet Flokkulation nach DLVO-Theorie: Aggregation im sekundären Minimum geringe Energie für Peptisation notwendig (Schütteln, Rühren) Nanosan-relevant: häufig zu beobachten bei organischen Makromolekülen (z.b. Fe- DOM-Komplexen)

5 Koagulation Art der Aggregation, bei der nach DLVO-Theorie: Aggregation im primären Minimum relativ hohe Energie für Peptisation notwendig (Ultraschall) bzw. überhaupt nicht mehr umkehrbar Nanosan-relevant: kontrollierte Koagulation, nachdem Fe-Oxid-NP ihre Destination erreicht haben Passivierung nicht alles oxidisch gebundene Fe(III) ist als e - -Akzeptor verfügbar o räumlich nicht zugänglich (z.b. wenn ein direkter Kontakt zwischen Zellmembran-Fe(III) für den e - -Übergang notwendig ist) o Fe(III)-Oxide erlauben durch eine adsorbierte Fe(II)-Schicht keinen e - -Übergang mehr (Fe(II)-Reduktion aus thermodynamischer Sicht ausgeschlossen) Peptisation Umkehrprozess der Aggregation, d.h. dadurch entstehen (wieder) Kolloide