Die folgenden Ausführungen sollen den an diesem Modul interessierten Studenten/Innen der Technischen Universität Dresden zur Grundinformation dienen.

Transkript

1 Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) Die folgenden Ausführungen sollen den an diesem Modul interessierten Studenten/Innen der Technischen Universität Dresden zur Grundinformation dienen. Weitere Nachfragen bitte an: Prof. Dr. rer. nat. habil. Gert Bernhard Professur Radiochemie Dresden, 11. August 2009

2 Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) Inhalt: ist die Vermittlung umweltchemischer Kenntnisse im Zusammenhang mit der Produktion und dem Eintrag von Umweltchemikalien, der Erzeugung von Energie und der Wirkung ionisierender Strahlung. Grundlegende Aspekte der Umweltchemie von Metallen und Organika, die Chemie von radioaktiven Schwermetallen im Kernbrennstoffzyklus und die Nutzung und Wirkung von ionisierender Strahlung gehören zum Lehrinhalt. Es werden die Grenzflächenphänomene beim Stoffübergang vom Geo- in das Bio-System aufgezeigt und die Bestimmung der Bindungsform und deren Lokalisation in diesen Systemen soll im spurenanalytischen Konzentrationsbereich erlernt werden. Kompetenzen zum Umgang mit offenen radioaktiven Stoffen werden vermittelt. Ziel: ist es, die Studierenden in die Lage zu versetzen, die in der Umwelt ablaufenden Grundprozesse und deren Änderung durch die Produktion von unterschiedlichsten Stoffen, der Art der Energieerzeugung und des Strahlungseintrags kritisch hinterfragen zu können und die Auswirkungen auf Luft, Wasser, Boden, die Biota und den menschlichen Organismus vor dem Hintergrund aktuellster wissenschaftlicher Erkenntnisse bewerten zu können.

3 Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) Organisatorisches: Wahlpflichtbereich: Wahlpflichtmodul im Wahlpflichtbereich Biologisch-orientierte Chemie (BOC) Voraussetzung: Abgeschlossenes Bachelor - Studium Lehrform: Vorlesung Seminare Praktikum (4 Tage Blockpraktikum im Institut für Radiochemie des Forschungszentrums Dresden - Rossendorf ) Zeit: Sommersemester (ab 2009) Abschluss: 5 Leistungspunkte (5 CP) Klausurarbeit (0,75) Praktikum (0,25)

4 Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) Vorlesungen: 1. Umweltchemie (UC), Prof. Dr. Gert Bernhard 2. Radiochemie (RC), Prof. Dr. Gert Bernhard

5 Professur Radiochemie Sommersemester 2010 Vorlesung: Umweltchemie Gliederung: 0 Einleitung 0.1 Vorbemerkungen 0.2 Definition Umweltchemie 1 Entstehung der Umwelt 1.1 Bildung der Elemente 1.2 Aufbau der Erde 1.3 Entstehung und Aufbau der Atmosphäre Bildung des atmosphärischen Sauerstoffs Photosynthese, Atmung, Gärung 1.4 Natursynthese von Stoffen (Miller' sches Experiment)

6 2 Umweltkompartiment Luft 2.1 Funktion der Atmosphäre 2.2 Zusammensetzung der Luft 2.3 Chemie der Atmosphäre Treibhauseffekt Ozon Spurengase und Fluorchlorkohlenwasserstoffe 2.4 Luftreinhaltung Emissionssenkung Rauchgasentschwefelung Abgasreinigung durch Katalysator 2.5 Klimawandel 3 Umweltkompartiment Wasser 3.1 Wasserressourcen 3.2 Bedeutung und Funktion 3.3 Trinkwasseraufbereitung und Qualität 3.4 Belastung des Wassers Anorganika Organika 3.5 Abwasserreinigung

7 4 Umweltkompartiment Boden 4.1 Bestandteile des Bodens 4.2 Verwitterungsprozesse 4.3 Huminstoffe 4.4 Bodenkontaminationen Einträge in Böden Reinigung von Böden Sanierung kontaminierter Gebiete 5. Stoffe in der Umwelt 5.1 Risiko, Grenzwerte, Stabilitätskriterien 5.2 Umweltschadstoffe Beispiele Eigenschaften Wirkung, Bewertung 5.3 Stoffeintrag und Transport Stoffkreisläufe Natürlicher Abbau von Chemikalien

8 6 Schwermetalle und Biosysteme 6.1 Nahrungspfad 6.2 Aufnahme in Organismus 6.3 Transfer in Pflanzen 6.4 Wechselwirkung mit Bakterien 7. Umweltanalytik Grundlage des Umweltschutzes 7.1 Messtechnische Schwerpunkte 7.2 Umweltanalytischer Prozess Vor-Ort-Analytik Arbeitsschritte der Analyse 7.3 Schadstoffanalytik (Beispiele) 8 Umweltauswirkungen bei Stoffgewinnung 8.1 Abbau, Transport von Stoffen 8.2 Chemische Unfälle 9 Entsorgung 9.1 Recycling 9.2 Deponie 9.3 Müllverbrennung 9.4 Vergärung

9 10. Umweltrecht und umweltbezogenes Handeln 10.1 Einfluss des Gesetzgebers 10.2 Wirkung von Umweltschutzzielen auf die Stoffproduktion 10.3 Persönlicher Einfluss

10 Professur Radiochemie Sommersemester 2010 Vorlesung: Radiochemie Gliederung: 0 Einleitung 0.1 Literatur 0.2 Definitionen, Themen 1 Radioaktivität in der Natur 1.1 Entdeckung der Radioaktivität 1.2 Periodensystem, Nuklidkarte, Kernaufbau, Kernstabilität 1.3 Umwandlungsgesetz, Gleichgewichte 1.4 Kernumwandlungen, Strahlungsarten, Kernreaktionen 1.5 Umweltradioaktivität

11 2 Strahlenschutz und Dosimetrie 2.1 Strahlung und Risiko 2.2 Gesetzliche Grundlagen des Strahlenschutzes 2.3 Wechselwirkung Strahlung - Materie 2.4 Dosimetrie, Strahlungsmessung, Spektrometrie 3 Analytik und Chemie radioaktiver Elemente und Isotope 3.1 Altersdatierung (14C-Methode) 3.2 Neutronenaktivierungsanalyse 3.3 Isotopenverdünnungsanalyse 3.4 Tracertechnik und Markierung 3.5 Strahlenchemie 3.6 Actinidenchemie 4 Radiochemie und Kerntechnik 4.1 Reaktoren 4.2 Beschleuniger 4.3 Bombe

12 5 Radionuklidproduktion 5.1 Grundlagen 5.2 Herstellung von Molybdän-99/Technetium-99m-Generatoren 5.3 Anwendungen von Radionukliden 5.4 Synthese künstlicher Elemente 6 Nukleare Entsorgung 6.1 Kernenergie und Ausstiegsszenario 6.2 Radioaktiver Abfall und Abbau von Kernanlagen 6.3 Kernbrennstoffkreislauf Urangewinnung Herstellung und Wiederaufarbeitung der Brennelemente Zwischen- und Endlagerung nuklearer Abfälle

13 - Beispiel für Folien zu den beiden Vorlesungen: (willkürliche Auswahl )

14 Hauptkomponenten der Umwelt - belebte Natur - unbelebte Natur Luft Menschen Tiere Pflanzen Wasser Boden

15 Schadstoffbelastungen

16 Risiko (ursprünglich Begriff aus dem Versicherungswesen) - Eintretenswahrscheinlichkeit eines Schadensfalles - Risikoabschätzung Quantitative Bestimmung der möglichen Gesundheitsgefährdung durch Chemikalien, Strahlung, Umwelteinflüsse u.a., auch Schadwirkungen auf das Ökosystem

17 Nahrungskette Mensch Fleisch Milch Früchte Haustiere Getreide Brot Transport Aquifer Oberflächenwässer Pflanze Chemie des Schwermetalls Wasser Boden

18 Chemikalien in der Umwelt

19 Bodenbestandteile

20 Bakterien Extremisten des Lebens Extremophile Bakterien: Hitze, Kälte, radioaktive Strahlung, extrem acidophil, alkalophil, hohe Ionenstärke Pyrolobus fumari Deinococcus radiodurans, Picrophilus torridus Haloferx volcanii in Kaminen > 100 o C Strahlendosis > Gray in japanischen Mount-Yo Vulkan erzeugen im Inneren höhere Salz- Entdeckung bei Fleischbestrahlung niedrigste ph-werte, 65 o C konzentration als außerhalb Quelle der Bilder www. - Optimierung und Anpassung bakterieller Lebensprozesse an extreme Umweltbedingungen

21 Wechselwirkung Metall - Bakterien Biosorption Bioakkumulation Biomineralisation Komplexbildung zelluläre Metallaufnahme Bildung von Präzipitaten mit zellulären Liganden Me L - = MeL 2 Me 2+ (out) Me OH - = Me(OH) 2 Me 2+ + S 2- = MeS Me 2+ + HPO 4 2- = MeHPO 4 Me 2+ (in) Bakterienzelle MeO 2 2+ = MeO 2 Me(VI) = Me(IV,III) Biotransformation Reduktionsprozess Me 2+ Mikrobiell gesteigerte Chemisorption Einbau von Metallen in gebildete Präzipitate

22 Ozon in der Atmosphäre Ozonschicht Stratosphäre um 25 km ( Gutes Ozon ) Ozonverunreinigung ca. 10 km Troposphäre ( Schlechtes Ozon )

23 Nomenklatur Dioxine, Furane 2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin - TCDD 2,3,7,8-Tetrachlordibenzofuran - TCDF

24 Nuklidkarte Z Z = Protonenzahl N = Neutronenzahl (N = A - Z) N

25 Strahlungsquellen in der Umwelt * Natürliche Strahlung - Strahlung aus dem Weltall kosmische Strahlung, Höhenstrahlung (überwiegend aus energiereichen Protonen, Heliumkernen, Kernreaktionen mit Atomen der äußeren Schicht unserer Atmosphäre) - Terrestrische Strahlung Strahlung resultierend aus Radionukliden der Zerfallsreihen, primordiale Radionuklide * Künstliche (Zivilisationsbedingte) Strahlung Industrieprodukte, Röntgendiagnostik/Nuklearmedizin, Kernwaffentests, Kernenergiegewinnung

26 Nuclear Fuel Cycle Uranium mine Raffination Ore concentrate Processing Ore Waste depleted uranium Conversion U Enrichment uranium U Fabrication fuel elements Pu Minor actinides Fuel element Intermediate storage fuel elements Nuclear power plant U Reprocessing plant Conditioning fuel elements Conditioning waste Waste Intermediate storage waste Final nuclear waste disposal Waste

27 Endlager Mehrfachbarrierensystem

28 Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) Praktikum 1) : Zulassung: bestandene Klausur zur Vorlesung Umwelt-und Radiochemie Durchführung: Blockpraktikum, Arbeit in Gruppen Ort: Institut für Radiochemie, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, Termin: Beginn und Abschluss im jeweiligen SS, Abstimmung mit den Teilnehmern/Innen Zeitplan: Montag: Einweisung, Vertiefungsseminare zum wissenschaftlichen Hintergrund der Experimentellen Arbeiten, Dienstag bis Donnerstag: (Laborzeiten bis Uhr) Experimentelle Durchführung Donnerstag nachmittags: Protokollabgabe, Auswertung, Abschluss des Gesamtmoduls Unterlagen: Scripte zu den Seminaren, die Versuchsanleitungen und der Ablaufplan sind über das Netz elektronisch verfügbar 1) Aus den Erfahrungen bei der erstmaligen Durchführung des Praktikums im SS 2009 werden u.a. folgende Änderungen wirksam: Verkürzung des Praktikums um ausgewiesene Stundenzahl einzuhalten, die drei Einzelversuche werden stärker fokussiert und in eine Problemstellung integriert, Ansprechperson (Betreuer/in) wird der jeweiligen Gruppe zugewiesen, kein Eingangstestat, Abschluss des Gesamt-Moduls erfolgt mit Abschluss der Praktikumszeit, keine Nacharbeiten.

29 - Praktikum: Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) Thema: Verhalten von Schwermetallen, insbesondere Uran in Bio- und Geosystemen 1 Sorption von Uran an biologischen und mineralischen Systemen 1.1 Sorption an Quarz und Hämatit 1.2 Biomasse (Bacillus sphaericus) 2 Speziationsbestimmung von Actiniden/Lanthaniden mittels Spektroskopie 2.1 Uran(VI) Speziation mittels ATR FT-IR Spektroskopie 2.2 Komplexierung von Uran(VI) mit umweltrelevanten Liganden (UV-Vis-Spektroskopie) 2.3 Speziation von Eu(III) in Biofluiden (Fluoreszenzspektroskopie) 3 Wechselwirkung von Metallen mit Biosystemen /Biota 3.1 Metalltoleranztest 3.2 Lochtest 3.3 Mikroskopische Charakterisierung von Bakterienstämmen

30 Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) - Vertiefungsseminare innerhalb des Praktikums: (max. 60 min je Thema) 1 Radioaktivität 1.1 Strahlenschutz und 1.2 Messung der Radioaktivität 2 Spektroskopie von Schwermetallen 2.1 Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie 2.2 Infrarotspektroskopie 2.3 UV-Vis-Spektroskopie 3 Sorption von Uran an mineralischen und biologischen Oberflächen 4 Wechselwirkung von Metallen mit Biosystemen