1.2 Herkunft von Wasserinhaltsstoffen. Kationen H + - in natürlichen Wässern 6,5 < ph < 7,5, c(h + ) verursacht durch CO 2 (aq) und HCO 3

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1 1.2 Herkunft von Wasserinhaltsstoffen Kationen H + in natürlichen Wässern 6,5 < ph < 7,5, c(h + ) verursacht durch CO 2 (aq) und HCO 3 CO 2 (aq) + H 2 O H + + HCO 3 saure Spurengase SO 2, NO x, HCl und H 2 S aus natürlichen und anthropogenen Quellen, verantwortlich für Säureeintrag in Wasser und Boden SO 2 (aq) + H 2 O H + + HSO 3 Stoff Anteil an der Acidität des Niederschlages SO 2 83 % NO, NO 2 12 % HCl 5 %

2 Erniedrigung des phwertes durch natürliche Fulvosäuren und Huminsäuren in Humus, Torf, Braunkohle Wo steckt die Säure? Niedriger phwert von Grubenwässern in Erz und Braunkohlegebieten durch Verwitterung von Pyrit und Markasit ( s. Eisen), vielfach 2,3 < ph < 3,5! FeS 2 + 3½ O 2 + H 2 O Fe H SO Fe 2+ + ½ O H 2 O 2 Fe(OH) H +

3 Na + und K + Na + Ionen in der Regel > 50 % der im Wasser vorhandenen Kationen entstammen Salzlagerstätten und Verwitterungsprodukten der Gesteine NaCl (Halit) Kalknatronfeldspat (Plagioklas) Natronfeldspat NaAlSi 3 O 8 (Albit) K + Ionen nur 10 % des Na + Gehaltes, K + Ionen werden besser in Böden und Gesteinen gebunden K + Ionen aus der Verwitterung von Gesteinen, aus Düngemitteln, Salzfracht der Kaliindustrie Kalifeldspat KAlSi 3 O 8 (Orthoklas) Granit Kalifeldspat rosa bis gelb Quarz farblos transparent Kalknatronfeldspat weiß bis grau Glimmer schwarz (Biotit)

4 NH 4 + primäres Abbauprodukt organischer Stickstoffverbindungen, z. B. Harnstoff CO(NH 2 ) 2 + H 2 O CO NH 3 und NH 3 + H + + NH 4 Reduktionsprozesse von Nitraten (Denitrifikation) NO 3 + NO 2 ( N 2 ) NH 3 / NH 4 Ca 2+ und Mg 2+ Kohlensäureverwitterung von Carbonatgestein, Lösungsverwitterung von Anhydrit bzw. Gipsstein CaMg(CO 3 ) 2, CaSO 4 bzw. CaSO 4 2 H 2 O Verwitterung von Granit Kalknatronfeldspat (Plagioklas) bzw. CaAl 2 Si 2 O 8 (Anorthit) Mg 2+ mit geringerer Konzentration in natürlichen Wässern, c(ca 2+ ) : c(mg 2+ ) = 4 bis 5 : 1 aufgrund der geringeren Häufigkeit in Gesteinen

5 Fe(II) / Fe(III)Ionen bzw. Verbindungen in natürlichen Wässern als hellgrünes Fe 2+ bzw. [Fe(H 2 O) 6 ] 2+, Pyritoxidation in Tagebaurestlochseen FeS 2 + 3½ O 2 + H 2 O Fe H SO 4 2 Hydrolyse von FeS 2, Fe 2 O 3 oder FeCO 3 oder in Grundwässern FeS CO H 2 O Fe HCO 3 + H 2 S + S Tagebausee Lausitz phwert: zwischen 2,3 und 3,5 hohe Konzentrationen an Sulfat sowie Eisenund Aluminium 2 Fe 2+ + ½ O H 2 O 2 Fe(OH) 3 * + 4 H + *Fe 2 O 3 3 H 2 O

6 Mn(II) / Mn(IV)Ionen bzw. Verbindungen neben Eisen am meisten verbreitet, häufig gemeinsam in der Erdkruste anzutreffen im Wasser häufig als Mn 2+ (neben Fe 2+ ), weniger leicht als Fe 2+ oxidierbar bei geeigneten phwerten Oxidation zu dunkelbraunem MnO 2 möglich

7 Anionen Cl Chloridionen kommen in allen natürlichen Wässern aufgrund der guten Löslichkeit von Alkali und Erdalkalichloriden vor Hauptquellen sind insbesondere Salzlagerstätten (NaCl, KCl) und die Gesteinsverwitterung SO 4 2 Sulfationen sind ebenso in allen natürlichen Wässern enthalten Lösung von natürlichem Gipsstein CaSO 4 2 H 2 O Ca SO H 2 O Endprodukt der bakteriellen Oxidation schwefelhaltiger organischer Stoffe H 2 S + O 2 2 H SO 4 oder S + 1½ O 2 + H 2 O 2 H SO 4

8 NO 3 Nitrationen werden hauptsächlich durch aeroben Abbau organischer Stickstoffverbindungen erzeugt (Nitrifikation) organische Düngemittel, fäkale Verschmutzungen NH 3 + 1½ O 2 NO 2 + H + + H 2 O NO 2 + ½ O 2 NO 3 HCO 3 Reaktion von carbonatischen Gesteinen mit gelöstem CO 2 CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca HCO 3

9 Kieselsäure Verwitterung von Gesteinen, Bildung kolloider Lösungen

10 Typische Verwitterungsreaktionen von Mineralien Chemische Verwitterung Mineral Wasser CO 2 Kation Anion Kieselsäure Tonmineral Gips / Kalk CaSO 4 Ca SO 4 CaCO 3 + H 2 O Ca 2+ + HCO 3 + OH CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca HCO 3 Quarz SiO H 2 O + H 4 SiO 4 Feldspat Na[AlSi 3 O 8 ] + 11/2 H 2 O Na + + OH + 2 H 4 SiO 4 +½Al 2 (OH) 4 [Si 2 O 5 ] Na[AlSi 3 O 8 ] + 11/2 H 2 O + CO 2 Na + + HCO 3 Na[AlSi 3 O 8 ] + 11/2 H 2 O + CO 2 K + + HCO H 4 SiO 4 +½Al 2 (OH) 4 [Si 2 O 5 ] + 2 H 4 SiO 4 +½Al 2 (OH) 4 [Si 2 O 5 ]

11 Chemischbiologische Verwitterung Durch Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere verursacht Speicherung von Feuchtigkeit (Moose) Mineralisierung von Boden und Gestein durch Säuren Huminsäuren infolge Abbau Kohlensäure aus CO 2 Organische Säuren (Mineralstoffaufnahme über Pflanzenwurzeln) Schwefel und Salpetersäure (Oxidationsprodukt des Stoffwechsels von Mikroorganismen) Steinflechten auf Sandstein Niedere Pflanzen (z. B. Flechten) sind in der Lage, den Silikaten unmittelbar Ionen zu entziehen.

12 Organische Wasserinhaltsstoffe Huminstoffe schwer abbaubare, hochmolekulare Verbindungen, Bildung beim Abbauprozess von organischem Material, insbesondere in Torf, Moorboden, Braunkohle, humushaltigen Böden Kohlenhydrate, Eiweiße, Aminosäuren, Stoffwechselprodukte von Lebewesen, Verunreinigungen aus Abwässern Fette und Öle, Steroide Verunreinigungen aus Abwässern, Steroid Koprosterin aus Cholesterin, Indikator für Fäkalien Spurenstoffe Tenside, Arzneimittel, Riechstoffe aus Abwässern der Haushalte und Industrie, Pflanzenschutzmittel aus der Landwirtschaft Kohlenwasserstoffe, chlororganische Verbindungen, Phenole u. a. Stoffe aus Industrie, Verkehr, Kraftwerken, Altlasten Algenbürtige Schadstoffe (Cyanotoxine) aus Cyanobakterien (Blaualgen)

13 Einige Umwelthormone im Wasser Vo UCh (Schädigung des Hormonsystems) Substanz Herkunft BisphenolA Kunststoffe, Antioxidans Ethinylestradiol Wirkstoff Antibabypille Diethylhexylphthalat Weichmacher Benzo(a)pyren Verbrennungsrückstand Terbutryn Herbizid Nonylphenole Emulgator, Tensid

14 Herkunft der Gase Zusammensetzung trockener Luft und Löslichkeit der Gase in Wasser Gas Anteil in Vol.% K in mol/l bar 1) (25 C) N 2 78,08 Vol.% 0, O 2 20,94 Vol.% 1, Ar 0,93 Vol.% 1, CO 2 0,038 Vol.% 33, ) HenryKonstanten von Luftgasen in mol mol mol = = L bar m 10 Pa 10 m Pa Der Stoffaustausch zwischen Wasseroberfläche und Atmosphäre erfolgt durch Diffusion. Deshalb erfolgt in ruhendem Wasser eine sehr langsame Gleichgewichtseinstellung.

15 O 2 Assimilation grüner Pflanzen (auch Wasserpflanzen und Algen) 6 H 2 O + 6 CO 2 + h ν C 6 H 12 O O 2 CO 2 Stoffwechseltätigkeit von Organismen C 6 H 12 O O 2 6 H 2 O + 6 CO 2 + E Biochemische Abbauprozesse im aeroben Milieu Anreicherung von CO 2 im Boden Freisetzung von CO 2 aus Carbonaten durch sauren Regen Aufschmelzen von Carbonaten und Freisetzung von CO 2 (Vulkane) Ozeane als CO 2 Speicher (Aufnahme und Abgabe)

16 Spurengase in trockener Luft und Löslichkeit in Wasser (Frimmel, 1999) Gas Anteil in Vol.% K in mol/l bar 1) (25 C) CH 4 1,7 1,8 ppm 1, NO 1) 1, NO 2 1) ppb O ppb H 2 S 1) ) SO 2 1) NH 3 1) chemische Folgereaktionen mit Wasser < 1 50 ppb

17 CH 4 Energieerzeugung, Verbrennung fossiler Energieträger Wiederkäuer, Reisanbau NO X vorrangig Verbrennung fossiler Brennstoffe (Verbrennungsgase von Motoren) Gewitter, anaerobe Bodenorganismen (NO) O 3 Bildung aus NO 2 in der Troposphäre und aus O 2 in der Stratosphäre O 2 + O O 3 NO 2 NO + O λ < 420 nm O 2 2 O λ < 242 nm

18 SO 2 vorrangig Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kraftwerke) Vulkangase, Oxidation von H 2 S Oxidation von Dimethylsulfid aus ozeanischem Phytoplankton (Algen) (CH 3 ) 2 S + 4½ O 2 2 CO H 2 O + SO 2 H 2 S Umsetzung von Eisenkies (Pyrit) im Boden FeS CO H 2 O Fe HCO 3 + H 2 S + S anaerobe bakterielle Umwandlung von schwefelhaltigen Eiweißstoffen und Sulfaten Vulkane, Industrie und Landwirtschaft