Inhaltsverzeichnis 1 Theorie...1

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Theorie Gleichgewichtsreaktionen Einführung Thermodynamische Grundlagen Massenwirkungsgesetz Gibbs sche freie Energie Gibbs sche Phasenregel Aktivität Ionenstärke Aktivitätskoeffizienten-Berechnung Ionendissoziationstheorie Ioneninteraktionstheorie Vergleich Ionendissoziations-Ioneninteraktionstheorie Wechselwirkungen an der Phasengrenze gasförmig-flüssig Henry-Gesetz Wechselwirkungen an der Phasengrenze fest-flüssig Lösung und Fällung Löslichkeitsprodukt Sättigungsindex Begrenzende Mineralphasen Sorption Hydrophobe/ hydrophile Stoffe Ionenaustausch Mathematische Beschreibung der Sorption Wechselwirkungen in der flüssigen Phase Komplexbildung Redoxprozesse Messung des Redoxpotentials Berechnung des Redoxpotentials Darstellung in Prädominanzdiagrammen Redoxpuffer Bedeutung von Redoxreaktionen Reaktionskinetik Reaktionskinetik verschiedener chemischer Prozesse Halbwertszeiten...53

2 VIII Inhaltsverzeichnis Kinetik der Minerallösung Berechnung der Reaktionsgeschwindigkeit Folgereaktionen Parallelreaktionen Einflüsse auf die Reaktionsgeschwindigkeit Empirische Lösungsansätze für kinetisch kontrollierte Reaktionen Reaktiver Stofftransport Einführung Strömungsmodelle Transportmodelle Begriffsdefinition Idealisierte Transportverhältnisse Reale Transportverhältnisse Austausch in Aquiferen mit doppelter Porosität Numerische Methoden der Transportmodellierung Finite Differenzen/ Finite Elemente Methode Gekoppelte Verfahren Hydrogeochemische Modellierungsprogramme Allgemeines Lösungscodes der Programme Programme auf Basis Freie-Bildungsenthalpien-Verfahren Programme auf Basis Gleichgewichtskonstanten-Verfahren PHREEQC EQ 3/ Thermodynamische Datensätze Allgemeines Aufbau thermodynamischer Datensätze Probleme und Fehlerquellen von Modellierungen Anwendung von PHREEQC Struktur von PHREEQC mit graphischer Benutzeroberfläche Input Database Output Grid Chart Einführungsbeispiele für PHREEQC-Modellierungen Gleichgewichtsreaktionen Beispiel 1a: Standard-Output - Meerwasseranalyse Beispiel 1b: Gleichgewichtsreaktion - Gipslösung Beispiel 1c: Gleichgewichtsreaktion Calcitlösung mit CO Beispiel 1d: Unsicherheiten in der Modellierung LJUNGSKILE...112

3 Inhaltsverzeichnis IX Einführungsbeispiele zur Sorption Einführungsbeispiele zur Kinetik Definition von Reaktionsraten Basic innerhalb von PHREEQC Einführungsbeispiel zur Isotopenfraktionierung Einführungsbeispiel zum reaktiven Stofftransport Einfacher 1D Transport: Säulenexperiment D Transport, Verdünnung und Oberflächenkomplexierung in einem stillgelegten Uran-Bergwerk D Stofftransport mit PHAST Aufgaben Gleichgewichtsreaktionen Grundwasser - Lithosphäre Standard-Output Brunnenanalyse Gleichgewichtsreaktion Gipslösung Ungleichgewichtsreaktion Gipslösung Temperaturabhängigkeit der Gipslösung in Brunnenwasser Temperaturabhängigkeit Gipslösung in destilliertem Wasser Calcitlösung in Abhängigkeit von Temperatur und CO 2 - Partialdruck Calcitfällung und Dolomitlösung Vergleich der Calcitlösung im offenen und geschlossenen System Pyritverwitterung Atmosphäre - Grundwasser Lithosphäre Regenwasserinfiltration unter dem Einfluss des Boden-CO Puffersysteme im Boden Abscheidung an heißen Schwefel-Quellen Stalagtitbildung in Karsthöhlen Evaporation Grundwasser pe-ph-diagramm für das System Eisen Änderungen im Fe-pE-pH-Diagramm bei Anwesenheit von Kohlenstoff bzw. Schwefel Änderung der Uranspezies in Abhängigkeit vom ph-wert Herkunft des Grundwassers Förderung fossilen Grundwassers in ariden Gebieten Salzwasser-/Süßwasser-Interface Anthropogene Nutzung von Grundwasser Probenahme: Ca-Bestimmung durch Titration mit EDTA Kohlensäure-Aggressivität Wasseraufbereitung durch Belüftung - Brunnenwasser Wasseraufbereitung durch Belüftung - Schwefelquelle...169

4 X Inhaltsverzeichnis Verschneiden von Wässern Sanierung von Grundwasser Nitratreduktion mit Methanol Fe(0)-Wände ph-anhebung mit Kalk Reaktionskinetik Pyritverwitterung Quarz-Feldspat-Lösung Abbau organischer Substanz im Grundwasserleiter unter Reduktion redoxsensitiver Elemente (Fe, As, U, Cu, Mn, S) Tritium-Abbau in der ungesättigten Zone Reaktiver Stofftransport Lysimeter Quellaustritt Karstquelle Verkarstung (Korrosion einer Kluft) ph-anhebung eines sauren Grubenwassers In-situ leaching D Stofftransport Uran und Arsen Kontaminationsfahne Lösungen Gleichgewichtsreaktionen Grundwasser - Lithosphäre Standard-Output Brunnenanalyse Gleichgewichtsreaktion Gipslösung Ungleichgewichtsreaktion Gipslösung Temperaturabhängigkeit der Gipslösung in Brunnenwasser Temperaturabhängigkeit Gipslösung in destilliertem Wasser Calcitlösung in Abhängigkeit von Temperatur und CO 2 - Partialdruck Calcitfällung und Dolomitlösung Vergleich der Calcitlösung im offenen und geschlossenen System Pyritverwitterung Atmosphäre - Grundwasser - Lithosphäre Regenwasserinfiltration unter dem Einfluss des Boden-CO Puffersysteme im Boden Abscheidung an heißen Schwefel-Quellen Stalagitbildung in Karsthöhlen Evaporation Grundwasser pe-ph-diagramm für das System Eisen Änderungen im Fe-pE-pH-Diagramm bei Anwesenheit von Kohlenstoff bzw. Schwefel Änderung der Uranspezies in Abhängigkeit vom ph-wert...200

5 Inhaltsverzeichnis XI Herkunft des Grundwassers Förderung fossilen Grundwassers in ariden Gebieten Salzwasser-/Süßwasser-Interface Anthropogene Nutzung von Grundwasser Probenahme: Ca-Titration mit EDTA Kohlensäure-Aggressivität Wasseraufbereitung durch Belüftung - Brunnenwasser Wasseraufbereitung durch Belüftung - Schwefelquelle Verschneiden von Wässern Sanierung von Grundwasser Nitratreduktion mit Methanol Fe 0 -Wände ph-anhebung mit Kalk Reaktionskinetik Pyritverwitterung Quarz-Feldspat-Lösung Abbau organischer Substanz im Grundwasserleiter unter Reduktion redoxsensitiver Elemente (Fe, As, U, Cu, Mn, S) Tritium-Abbau in der ungesättigten Zone Reaktiver Stofftransport Lysimeter Quellaustritt Karstquelle Verkarstung (Korrosion einer Kluft) ph-anhebung eines sauren Grubenwassers In-situ leaching D Stofftransport Uran und Arsen Kontaminationsfahne Literatur Index...233

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