Tetrachlorethylen ist eine leichtflüchtige Flüssigkeit und in die Gruppe der chlorierten Kohlenwasserstoffe einzuordnen. Tetrachlorethylen findet in verschiedenen Bereichen wie der metallverarbeitenden Industrie und anderen industriellen Bereichen als Lösungsmittel Anwendung. Die Untersuchungen für das Praktikum fanden in einem Tetrachlorethylen kontaminierten Bodenmodell statt. Die Ergebnisse wurden mit einer Headspace Gaschromatographie – Massenspektroskopie erzielt. Im Rahmen dieses Praktikums wurde die Wirkung des Tensids BioVersal UK + 10%ig Neodol auf Tetrachlorethylen untersucht.
Inhaltsverzeichnis
I. Abkürzungsverzeichnis
II. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis
III. Abstract
1. Einleitung
1.1 Eigenschaften von Tetrachlorethylen
1.2 Mikrobiologischer Abbau von chlorierten Kohlenwasserstoffen
1.3 Sanierungsverfahren
1.4 Wirkung von Tensiden
1.5 Headspace Gaschromatographie- Massenspektroskopie
1.6 Ziel der Arbeit
2. Material und Methoden
2.1 Das Sediment für das Bodenmodell
2.2 Verwendete Chemikalien
2.3 Bodenmodell Beschreibung und Aufbau
2.4 Sauerstoffmessung
2.5 Probenentnahme und Vorbereitung
2.6 Gaschromatographie- Massenspektroskopie
2.7 TOC Test
2.8 Uranin Tracer Test
2.9 Mobilisierung mit Hilfe Interpolation
2.10 Berechnungen
3. Ergebnisse
3.1 Uranin Tracer Test
3.2 Gesamtmassenverlauf PCE, TCE und cis-DCE
3.3 Sauerstoffmesswerte
3.4 TOC Versuch
3.5 Mobilisierung im Bodenmodell
4. Diskussion
4.1 Einfluss des Tensids auf PCE in Bodenmodell
4.2 Fehlerbetrachtung
4.3 Zusammenfassung und Ausblick
5. Literatur- und Quellenverzeichnis
6. Anhang
I. Abkürzungsverzeichnis
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
II. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis
Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Abbau von PCE zu Ethen mit den einzelnen Molmassen
Abb. 2: Schema zum Abbau von PCE [Kuhn, 2004]
Abb. 3: Oberflächenspannung in Abhängigkeit der Tensidkonzentration, Mizellenbildung, [DataPhysics, 2000]
Abb. 4: Satellitenaufnahme (Google Maps 2009) des Standorts Auensee, Download (06.02.18)
Abb. 5: Abgemessene Maße vom Bodenmodell
Abb. 6: Aufbau vom Bodenmodell
Abb. 7: Schematischer Aufbau vom Bodenmodell
Abb. 8: Probenabnahmestellen im Bodenmodell mit den Transekten A, B und C
Abb. 9: Gaschromatograph gekoppelt mit einem Massenspektrometer
Abb. 10: Kalibriergerade Uranin
Abb. 11: Beispiel Flächenbestimmung unter der Kurve
Abb. 12: Tracer Test mit Uranin im gesamten Bodenmodell in Tagen
Abb. 13: Gesamtmasse PCE in mg der einzelnen Transekten aufgetragen gegenüber der Zeit in Tagen
Abb. 14: Gesamtmasse TCE in mg der einzelnen Transekten aufgetragen gegenüber der Zeit in Tagen
Abb. 15: Gesamtmasse cis-DCE in mg der einzelnen Transekten aufgetragen gegenüber der Zeit in Tagen
Abb. 16: Gesamtmasse an PCE, TCE und cis-DCE in mg über die Zeit in Tagen
Abb. 17: Sauerstoffgehalt in Transekte A
Abb. 18: Sauerstoffgehalt in Transekte B
Abb. 19: Sauerstoffgehalt in Transekte C
Abb. 20: TOC Test im Bodenmodell in Tagen
Abb. 21: Interpolation der Werte bis Tag 33
Abb. 22: Interpolation der Werte bis Tag 146
Abb. 23: Gesamtmasse PCE über die Zeit der einzelnen Transekten
Abb. 24: Gesamtmasse cis-DCE über die Zeit der einzelnen Transekten
Abb. 25: Gesamtmasse TCE über die Zeit der einzelnen Transekten
Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Übersicht Tetrachlorethylen
Tab. 2: Verwendete Chemikalien
Tab. 3: Mobilisierung im Bodenmodell nur für die ersten 33 Tage
Tab 3A: Erzielte Ergebnisse zwischen Zulauf und Transekte A (A1, A2, A3, A4) in mg nur für die ersten 33 Tage
Tab. 4: Mobilisierung im Bodenmodell nur für die ersten 146 Tage
Tab 4A: Erzielte Ergebnisse zwischen Zulauf und Transekte A (A1, A2, A3, A4) in mg nur für die ersten 146 Tage
Tab. 5: Rohdaten PCE in µg/L von Tag 0 bis Tag 279
Tab. 6: Rohdaten TCE in µg/L von Tag 0 bis Tag 279
Tab. 7: Rohdaten cis-DCE in µg/L von Tag 0 bis Tag 279
Tab. 8: Tracer Versuch mit Uranin in mg/L über den Verlauf von 41 Tagen im Bodenmodell
Tab. 9: TOC (total organic carbon) Gehalt in mg/L über einen Verlauf von 34 Tagen im Bodenmodell
Tab. 10: Rohdaten der Sauerstoffmessung
III. Abstract
Tetrachlorethylen ist eine leichtflüchtige Flüssigkeit und in die Gruppe der chlorierten Kohlenwasserstoffe einzuordnen. Tetrachlorethylen findet in verschiedenen Bereichen wie der metallverarbeitenden Industrie und anderen industriellen Bereichen als Lösungsmittel Anwendung. Die Untersuchungen für das Praktikum fanden in einem Tetrachlorethylen kontaminierten Bodenmodell statt. Die Ergebnisse wurden mit einer Headspace Gaschromatographie – Massenspektroskopie erzielt. In Rahmen dieses Praktikums wurde die Wirkung des Tensids BioVersal UK + 10%ig Neodol auf Tetrachlorethylen untersucht.
Es zeigte sich das durch das Tensid, Tetrachlorethylen remobilisiert und bioverfügbar gemacht wurde. Die Bakterien, die sich im Bodenmodell befinden haben sich ihre eigenen Milieuverhältnisse in Form von Biofilm aufgebaut, wodurch diese dann in der Lage waren Tetrachlorethylen im Biofilm abzubauen.
Durch den Tracer-Test konnten horizontale Randströmungen belegt werden. Der TOC-Test konnte als indirekter Parameter für die Mobilisierungsdauer genutzt werden. Die festgestellten maximalen Massen von Tetrachlorethylen korrelierten mit den durchgeführten TOC-Test.
Die Bildung der Metaboliten trat erst nach 200 Tagen auf, wobei die gemessenen Konzentrationen sehr geringen ausfielen. Die Bildung der Metaboliten steht eventuell in einem Zusammenhang mit dem leichten Anstieg des Sauerstoffgehaltes im Bodenmodell. Die Ursache dafür blieb jedoch ungeklärt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass das Tensid für den Einsatz im Boden mit einer hohen Wahrscheinlichkeit gut geeignet ist.
1. Einleitung
1.1 Eigenschaften von Tetrachlorethylen
Tetrachlorethylen (PCE) ist eine farblose, etherisch riechende Flüssigkeit, die in der metallverarbeitenden Industrie und anderen industriellen Bereichen als Lösungsmittel verwendet wird. Das PCE wird in die Gruppe der chlorierten Kohlenwasserstoffe (CKW) eingeordnet, da es aus einem Kohlenstoffgerüst besteht und mehrere Wasserstoff Atome durch Chloratome ersetzt werden. PCE ist eine aliphatische, ungesättigte Chlorverbindung. Die Struktur sowie die Dichte und andere wichtige Information sind in Tab. 1 wiederzufinden. Die Gewinnung von PCE wurde erstmals 1821 durch Michael Faraday durchgeführt, der Hexachlorethen thermisch zersetzte. Heutzutage wird PCE durch die Hochtemperatur-Chlorolyse leichter Kohlenwasserstoffe gewonnen, dabei bilden sich Nebenprodukte wie Tetrachlormethan, Chlorwasserstoff und Hexachlorbutadien. Unter den CKW weist PCE besondere Eigenschaften auf. Die Wasserlöslichkeit ist sehr schlecht und beträgt um die 160 mg/L bei 20°C. Die Mischbarkeit mit Wasser ist dementsprechend sehr gering, sie nimmt jedoch mit steigender Temperatur zu. Folgende Eigenschaften können dem PCE ebenfalls zugeschrieben werden: es ist nicht brennbar, leicht flüchtig, nicht oxidierbar und lichtempfindlich. Toxikologisch weist PCE eine Gesundheitsgefahr für Mensch und Tier dar. Besonders toxisch ist es jedoch für Wasserlebewesen, aus diesen Gründen wird es als stark wassergefährdend (WGK 3) eingestuft wird. Die Abbaurate von PCE beträgt 11% und der Abbau geschieht nach 28 Tagen [ROTH, 2017]. Der Abbau kann wesentlich in vier Abbauprozesse unterteilt werden. In den direkten aeroben Abbau, den indirekten aeroben Abbau sowie den direkten anaeroben Abbau und den indirekten anaeroben Abbau.
Tab. 1 : Tetrachlorethylen Übersicht
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
1.2 Mikrobiologischer Abbau von chlorierten Kohlenwasserstoffen
Der Abbau von chlorierten Kohlenwasserstoffen (CKW) wird aus biologischer Sicht als direkter anaerober Abbau bezeichnet und erfolgt als reduktive Dechlorierung, kann jedoch auch durch anaerobe Oxidation stattfinden. Untersuchungen von CKW Grundwasserschäden im Feld haben jedoch auch gezeigt, dass die biologischen Prozesse von den jeweiligen Milieubedingungen abhängig sind [Vieth, 2003]. Durch die vorherrschenden Milieubedingungen, entweder stark reduzierend oder oxidierend, kann der Abbau in vier unterschiedlichen Abbauprozessen erfolgen [Strupp et al., 2007].
a.) Direkter aerober Abbau
Dabei erfolgt eine direkte Umwandlung einer organischen Verbindung die gleichzeitig als Elektronendonator dient und von Bakterien als Energiequelle genutzt wird. Die bei der Reaktion freiwerdenden Elektronen werden z.B. auf ein Sauerstoffatom übertragen, welches als Elektronenakzeptor fungiert. Viele Mikroorganismen können während des Prozesses zusätzlich Energie für den Stoffwechsel gewinnen [Barth et al., 2002]. Abbaubar sind dadurch niedriger chlorierte Verbindungen wie z. B. Dichorethen (DCE) und Vinylchlorid (VC).
b.) Indirekter aerober Abbau
Dieser Abbau von Ethenen erfolgt cometabolisch, das heißt, dass der Abbau erst stattfinden kann, wenn ein sogenanntes Cosubstrat präsent ist [Ryoo et al., 2000; Barth et al., 2002]. Mikroorganismen, die cometabolisieren, können aus diesem Abbau weder Energie gewinnen noch Wachstum betreiben. Als Elektronendonatoren sind Stoffe geeignet, die aus einfachen organischen Kohlenstoffverbindungen wie Methan, Butan, Ethanol oder Toluol aufgebaut sind. Es können aber auch komplexere Verbindungen sein. Abbaubar sind beispielsweise Trichlorethen (TCE), DCE und VC.
c.) Direkter anaerober Abbau
Wenn Bakterien einen Energiegewinn durch die Nutzung der CKWs als Elektronenakzeptor erzielen, wird dieser Prozess als anaerober Abbau definiert [Strupp et al., 2007]. Dabei wird sukzessiv ein Chlor-Atom abgespaltet und durch ein Wasserstoffatom (H-Atom) ersetzt. Dieses H-Atom wirkt als Elektronendonator und das chlorierte Ethen als Elektronenakzeptor [Vieth, 2003]. Dieser Abbaumechanismus wird auch als „Halo-Respiration“ oder „Dehalorespiration“ bezeichnet. Dadurch können PCE, TCE, DCE und VC abgebaut werden.
d.) Indirekter anaerober Abbau
Dieser Abbaumechanismus ist in Grundwasserleitern am weitesten Verbreitet. Der Mechanismus erfolgt ebenfalls wie der indirekte aerobe Abbau mit Hilfe eines weiteren organischen Substrates, das den abbauaktiven Mikroorganismen als Energie- und Kohlenstoffquelle dient. [Schmidt & Thiem, 2011].
Der Fokus dieser Arbeit ist der direkte anaerobe Abbau von PCE. Dieser kann sowohl cometabolisch oder auch direkt durch Chloratmung entsprechender Bakterien erfolgen [Bradley & Chapelle, 2010]. Dieser wird schrittweise (siehe Abb.1) von PCE zu TCE zu DCE, meist cis-1,2-Dichlorethen (cis-DCE), weiter zu VC und zuletzt zu Ethen, welches zu Wasser und CO2 mineralisiert wird. [Kirchholtes & Ufrecht, 2015]. Vergleichsweise ist der schematische Abbau von PCE zu Ethen in Abb. 2 dargestellt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 1 : Abbau von PCE zu Ethen mit den einzelnen Molmassen
Der Abbau verläuft von höher chlorierten Ethenen wie PCE deutlich schneller als von niedriger chlorierten wie DCE und VC [Nijenhuis, 2002]. Für diesen Aspekt werden die einzelnen Molmassen der CKWs (Abb. 1) betrachtet, diese nehmen mit abnehmender Chlorierung von PCE zu Ethen ab. Da Chlor eine höhere relative Atommasse (35,45 u) als Wasserstoff (1,01 u) hat, wird das CKW somit bei jedem Dechlorierungsschritt leichter. [Bradley & Chapelle, 2010].
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 2: Schema zum Abbau von PCE, [Kuhn, 2004]
Bei der reduktiven Dechlorierung von PCE zu TCE bis cis-DCE sind eine Vielzahl an Bakterien in der Lage, an der Verstoffwechselung der Schadstoffe eigenen Nutzen in Form von Wachstum und Energie zu ziehen. Nur wenige Arten der Gattung Dehalococcoides wurden bei dem Abbau von cis-DCE zu VC gefunden und nachgewiesen [Tiehm et al., 2007; Tiehm & Schmidt, 2007; Aktas et al., 2012]. Die Bakterien der Gattung Dehalococcoides gelten als Indikatororganismen für eine vollständige Dechlorierung [Hendrickson et al., 2002].
1.3 Sanierungsverfahren
In Deutschland weisen über 66% des Grundwasservorkommen Spuren anthropogener Einwirkungen auf, sei es durch die Verschmutzung von Landwirtschaft, Verkehr oder der Industrie [Strupp et al., 2007]. Das stärkste gefährdungspotenzial besitzt PCE als leichtflüchtiges chloriertes Kohlenwasserstoff (LHKW) für das Grundwasser und steht somit auch auf Platz 1 für Kontaminationen im Grundwasservorkommen [Bayrisches Landesamt für Wasserwirtschaft, 2001; Göring & Martienssen, 2016]. Die Sanierung wird zur aller erst zur Beseitigung der Schadstoffe in Boden und Wasser unternommen. Ebenfalls ist die Sanierung zur Verhinderung der Ausbreitung und zur Verminderung schädlicher Veränderungen der physikalischen, chemischen oder biologischen Beschaffenheit des Bodes zuständig [Umweltbundesamt, 2018]. Dabei sind TCE und PCE als überwiegend alleinige Grundwasserverunreinigungen stabil und bleiben über mehrere Jahre (>3 Jahre) im Boden und Grundwasser unverändert [Stammler et al., 1990]. Grundwassersanierungen sind wegen der persistierenden Wirkung von CKWs notwendig. Es gibt zahlreiche Unternehmen, die folgende Sanierungsverfahren durchführen wie z. B. Wirkstoffinfiltrationen und -injektionen, Pump and Treat, Wirkstoffzirkulationen, Direktgasinjektion und Tensidmobilisation. Die genannten Sanierungsverfahren werden meist „unsichtbar“ also In-Situ durchgeführt, so entstehen keine Beeinträchtigungen und Nutzungsbeschränkungen. Das sogenannte „Pump and Treat-Verfahren“, womit gezielt das kontaminierte Wasser durch Pumpen gefördert, über Aktivkohlefilter gereinigt und schließlich abgeleitet wird, sorgt für erheblich hohe Sanierungskosten. Die Gesamtkosten je kg entnommener Schadstoff liegen bei LHKW-Fällen innerhalb der Spannweite von 166 – 7.896 EUR/kg, in Abhängigkeit der jeweiligen Sanierungsdauer [Sächsisches Landesamt für Umwelt und Geologie, 2007]. Durch verschiedene innovative „In-Situ-Verfahren“, wie im oben bereits angesprochen, sollen diese hohen Gesamtkosten gesenkt werden [Strupp et al., 2006]. Eine Einsparung könnte auch durch neuartige Verfahren mit naturverwandten Tensiden in kontaminierten Gebieten erzielt werden.
1.4 Wirkung von Tensiden
Tenside sind heutzutage bekannt als waschaktive Substanzen (Detergenzien), die eine Vielzahl an Anwendung als Spülmittel und Shampoos haben [Stache H., 1981]. Allgemein sind Tenside grenzflächenaktive, niedermolekulare Verbindungen. Diese bestehen aus einen hydrophoben wasserabweisenden unpolaren organischen Rest, meist Alkyl- oder Aryl-Gruppen und einer hydrophilen wasserliebenden (lipophoben) polaren Gruppe [Latscha et al., 1993]. Die hydrophoben Molekülteile bestehen aus Kohlenwasserstoffen oder Silikonen, die hydrophile Gruppe hingegen aus stark polaren Gruppen. Tenside können in zwei Gruppen eingeteilt werden: ionischen- und nicht-ionischen Tenside. Unter den ionischen Tensiden wird eine Klassifizierung zwischen anionischen also negativ geladenen Ionen, kathionischen somit positiv geladenen Ionen und den amphoteren Tensiden, die eine positiv und negativ geladene funktionelle Gruppe haben, unterschieden. Bei den nicht-ionischen Tensiden besitzt die hydrophile Gruppe keine Ladung und kann somit nicht dissoziieren [Kosswig et al., 1993].
Die Wirkungsweise von Detergenzien beruht auf ihren Bau, dabei werden die hydrophilen Gruppen z. B. COO- hydratisiert und in Wasser hineingezogen und gleichzeitig werden die hydrophoben Alkyl-Reste herausgedrängt [Latscha et al., 1993]. Trifft ein Tensid auf Wasser so ordnen sich die Tensid Moleküle ab einer kritischen Konzentration zu Mizellen aus. Mizellen sind kolloidartige geordnete Zusammenballungen von Molekülen. Diese bestehen meist aus 20-30000 Einzelmolekülen eines grenzflächenaktiven Stoffes [Latscha et al., 1993].
Die Bestimmung der kritischen Mizellenkonzentration (engl. Critical Micelle Concentration; CMC) und eine thermodynamische Beschreibung der Mizellenbildung (vgl. Abb. 3) sollte während der Arbeit mit Tensiden erfolgen. Die CMC ist eine entscheidende Kenngröße, wodurch beim Überschreiten dieser Konzentration eine sprunghafte Änderung der physikalischen Eigenschaften auftritt. Für jedes Tensid ist die CMC charakteristisch und abhängig von der Ionenstärke, Temperatur, Aufbau und der Konzentration von Additiven [Varadaraj et al., 1992; Xu et al., 2006].
Tenside finden oftmals Verwendung als Emulgatoren in der Kosmetikbranche, in Nahrungs- und Flotationsmitteln und als Bestandteil von Waschmitteln. Sie werden aber auch als Spül- und Reinigungsmitteln, in der Lebensmittelindustrie, als Schädlingsbekämpfungsmittel in der Landwirtschaft, als Desinfektionsmittel und als Netzmittel in der Fotoindustrie eingesetzt.
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
Abb. 3: Oberflächenspannung in Anhängigkeit der Tensidkonzentration, Mizellenbildung [DataPhysics, 2000]
Oft wird auch zwischen natürlichen und synthetischen Tensiden unterschieden, dabei zählen zu den natürlichen Tensiden Seifen, die aus natürlichen Rohstoffen gewonnen werden, z. B. aus Tierfetten oder Bakterien. Bei synthetischen Tensiden werden Rohstoffe wie Erdöl oder Sonnenblumenöl zur Herstellung genutzt [Kosswig et al., 1993]. In den nachfolgenden Untersuchungen wird mit einem naturverwandten Tensid gearbeitet.
Einige Mikroorganismen sind in der Lage Tenside zu produzieren, sogenannte Biotenside die aus den Basissubstraten Pflanzenöl und Zucker bestehen [Lang & Trowitzsch, 2002]. Diese sind besser biologisch abbaubar und umweltverträglicher. Außerdem weisen sie eine geringere Toxizität auf [Frank, 2013]. Die Verwendungsmöglichkeit für Biotenside sind hauptsächlich in der biologischen Sanierung von Altlasten wieder zu finden [Franzetti et. al, 2010].
Tenside gelangen zusammen mit dem entstandenen Schmutz über das Abwasser in die Kläranlagen. Dort erfolgt der biologische Abbau. Dieser kann in Primärabbau und Sekundärabbau (Totalabbau) unterschieden werden. Beim Primärabbau, der als erster und entscheidender Schritt gilt, verlieren die Tenside ihre Schaumfähigkeit, schmutzlösende Eigenschaft, d. h. die Oberflächenspannung des Wassers wird nicht mehr beeinträchtigt und die Toxizität für Wasserlebewesen wird herabgesetzt [Menger & Keiper, 2000; Wagner, 1993]. Der Totalabbau erfolgt in mehreren Schritten, wobei am Ende das Tensid vollständig biologisch zu Wasser, Biomasse, Mineralsalzen und CO2 abgebaut wird [Menger & Keiper, 2000]. Laut der Detergenzien-Verordnung soll der Totalabbau der Tenside unter Laborbedingungen innerhalb von 28 Tagen erfolgen, wobei der Abbau im Labor wesentlich langsamer ist, als in Kläranlagen. In Kläranlagen braucht es nur wenige Stunden, um mehr als die Hälfte der Tenside abzubauen [OECD 301 A-F].
1.5 Analytik mit Headspace Gaschromatographie – Massenspektroskopie
Die Headspace Gaschromatographie-Massenspektroskopie (GC-MS) ist eine besondere Art leichtflüchtige Stoffe wie PCE in die Gasphase zu überführen, mit Hilfe der Gaschromatographie (GC) aufzutrennen und schließlich mit der Massenspektroskopie (MS) zu identifizieren. Die Headspace-Technik, auch die Kopfraum- oder Dampfraum-Technik genannt, dient dazu, dass eine Überführung von leichtflüchtigen Stoffen, wie PCE aus komplexen Zusammensetzungen möglich ist. Die Probe, die im Kopfraum eine gasförmige Phase gebildet hat, wird analysiert. Um in den gasförmigen Zustand zu gelangen, wird die Probe erhitzt sodass Analyten aus schwerflüchtigen Proben in die Gasphase übergehen. Zwischen den beiden entstandenen Phasen herrscht ein Gleichgewicht. Diese Technik wird besonders im Umweltbereich angewandt um Verunreinigungen im Grundwasser-, Abwasser- und Trinkwasserproben festzustellen, da diese oftmals durch CKWs und andere Lösungsmittel verschmutzt sind. Mit der Headspace-Technik lassen sich Kontaminationen direkt in der Wasserprobe feststellen und quantitativ mit der GC-MS bestimmen [Gey & Manfred, 2008].
Die GC wird auch als Verteilungschromatographie oder auch Adsorptionschromatographie beschrieben und dient als Analysemethode von komplexen chemischen Gemischen. Ein Gemisch ist nur von einer GC analysierbar, wenn es sich unzerstört verdampfen lässt, also gasförmig vorliegt [Kolb, 2003]. Die GC besitzt grundsätzlich zwei Phasen: die mobile Phase und die stationäre Phase, wobei die stationäre Phase aus einem festen Trägermaterial bestehen kann (engl. porous layer open tubular column – PLOT; Adsorptionschromatographie), oder aus einer flüssigen stationären Phase mit festem Träger (engl. support-coated open tubular column – SCOT; Verteilungschromatographie), oder aus einer stationären Phasen als dünner Flüssigkeitsfilm an der Innenseite der Kapillarwand (engl. wall-coated open tubular column – WCOT; bzw. fused-silica open tubular column – FSOT; beide Verteilungschromatographie).
Die mobile Phase, bekannt als Trägergas muss inert vorliegen, damit keine chemische Reaktion zwischen der stationären Phase entsteht. Das Trägergas transportiert den Analyten nur durch die Säule. Als mobile Phase wird am häufigsten Wasserstoff (H2) genutzt, wobei auch z. B. Helium (He) und Stickstoff (N2) als Trägergas fungieren können. Seltener werden Kohlenstoffdioxid (CO2) und Argon (Ar) mit 5% Methan (CH4) eingesetzt. Dabei diffundiert der Analyt bei Wasserstoff am schnellsten durch die Säule und bei Stickstoff als Trägergas am langsamsten. Dabei muss das Trägergas Sauerstofffrei vorliegen, damit die stationäre Phase nicht angegriffen wird. Die oxidierende Wirkung des Sauerstoffs kann eine Änderung der Retentionszeit hervorrufen, es entsteht eine schlechtere Auflösung des Peaks und der Sauerstoff kann ebenso zum Tailing führen [aprentas, Laborpraxis Band 3, 2017]. Die Wahl des Trägergas hängt immer vom Detektor ab. He als Trägergas weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf und wird z.B. bei Flammenionisationsdetektoren (FID) verwendet [aprentas, Laborpraxis Band 3, 2017]. Die Gaschromatographie hat als einzige chromatographische Methode eine gasförmige mobile Phase [aprentas, Laborpraxis Band 3, 2017]. Es wird bei der GC unter zwei verschiedenen Arten unterschieden, als erstes die GC an festen Phasen ( engl. gas solid chromatography, gsc) und die GC an flüssigen Phasen ( engl. gas liquid chromatography, glc) [Skoog et al., 1996].
Die stationäre Phase befindet sich in gepackten Trennsäulen oder heutzutage öfter verwendeten Kapillarsäulen. Gepackte Trennsäule könne je nach Hersteller aus Glas, Metall oder Kunststoff bestehen. Diese weisen einen Durchmesser von 1 bis 6 mm und eine Länge von 0,5 bis 5 m auf, worin sich dann die stationäre Phase befindet. Kapillarsäulen ist meinst aus Quarzglas (aber auch aus Metall oder Kunststoff) und haben von außen eine Polyimid Schicht, damit diese eine hohe Biegsamkeit aufweisen. In der Innenseite sind diese mit einem Flüssigkeitsfilm von 0,1 bis 5 µm beschichtet [aprentas, Laborpraxis Band 3, 2017]. Kapillarsäulen können eine Länge von 10 bis über 100 m erreichen, wobei 25-30 m als Standardlänge eingesetzt werden. Dimethylpolysiloxan ist die am häufigsten eingesetzte stationäre Phase, welches im Temperaturbereich von 340 bis 360°C eingesetzt wird und nach Siedepunkten trennt. Bei allen stationären Phasen ist das Basismaterial Polysiloxan [Kolb, 2003].
Der Aufbau einer GC, besteht aus einem Injektor, womit die Probe eingespritzt, bis 400°C erhitzt und schließlich verdampft wird; einem Trägergasstrom, der den Analyten in der Säule transportiert; einer Säule im Säulenofen, womit die Temperatur manuell einstellbar ist; und einem Detektor, der die Probe erfasst, bevor sie die Säule verlässt [Skoog et al., 1996].
Die Kopplung der GC mit einer MS bringt zahlreiche Vorteile, einer davon ist die bessere Auftrennung von Peaks und die Identifizierung der einzelnen Stoffe. Die MS ist ein Verfahren zur Bestimmung der Molekülmasse freier Ionen im Hochvakuum. Das Massenspektrometer besteht aus grundlegend aus drei Hauptkomponenten: einer Ionenquelle, einem Massenanalysator und einem Detektor. Die Ionenquelle besitzt die Aufgabe den Analyten zu ionisieren. Der Massenanalysator ordnet die Ionen nach dem Verhältnis der Masse zur Ladung (m/z). Schließlich erfolgt der Ionennachweis am Detektor und erfasst in einem sogenannten Massenspektrum. Die Probe kann auf zwei unterschiedliche Wege in die MS eingeführt werden, entweder direkt oder als on-line-Kopplung mit entweder einem Gaschromatographen oder Flüssigchromatographen [Reichbächer & Popp, 2007].
Als wichtigste Ionisationsmethode für die GC-MS gilt die Elektronenstoßionisationen (electronimpact; EI) für die MS, damit erfolgt wie Untersuchungen flüchtiger niedermolekularer Verbindungen wie PCE. Dabei werden die Moleküle im gasförmigen Zustand in die Ionenquelle geleitet und durch senkrechten Beschuss mit Elektronen erfolgt die Ionisation der Probenmoleküle. Die EI gehört zu den harten Ionisationsmethoden, da die Energie der Stoßelektronen mehrfach höher ist, als die Energie der chemischen Bindungen, wodurch eine Fragmentierungsreaktion und somit Fragmentpeaks entstehen. Als Massenanalysatoren dienen beispielsweise der Quadrupol, die sogenannte Flugzeit (engl. time-of-flight-ToF) oder der Magnetfeld-Analysator [Skoog et al., 1996].
Die GC-MS ist für die Analytik komplexer Gemische mit Analyten kleinerer Molmassen als universelle Detektionsmethode geeignet. Alle Arten von gasförmigen Gemischen werden ionisiert und schließlich mit der MS detektiert. Vor allem für Strukturaufklärungen von sehr kleinen Spurengehalten von niedermolekularen Substanzen ist die GC-MS fest etabliert. [Dose, 1994; Gey, 1998; Schlee & Schöpp, 1997; Fischer, 1990]
1.6 Ziel der Arbeit
Das Ziel dieser Arbeit soll es sein, die Wirkung des Tensids von der Firma BioVersal in Bezug auf die Kontamination von PCE im Bodenmodell zu untersuchen. Dabei soll der Abbau von PCE und seinen Metaboliten TCE und cis-DCE graphisch dargestellt werden. Da das Tensid durch Mizellenbildung einige PCE Moleküle einschließen kann, dient es hier als Lösungsverteiler und Transportmittel.
2. Material und Methoden
2.1 Das Sediment für das Bodenmodell
Das im Bodenmodell verwendete Sediment stammt ursprünglich aus dem Untersuchungsstandort „Auensee“ aus dem Nordwesten Leipzigs im Stadtteil Wahren [Diplomarbeit, Göring, 2011]. Der Auensee hat eine Tiefe von ca. 10 m und ist um 1910 als Kiesgrube entstanden. Dieser Standort ist in unmittelbarer Nähe einer ehemaligen chemischen Reinigung, die 1892 in Betrieb genommen wurde und unter anderem Stoffe wie TCE und PCE verwendet hatte. Aus diversen Bohrungen, ca. 50 m südwestlich von der Grundwassermessstelle 35 (GWM 35, Abb. 3), wurden ungefähr 30 kg Sediment entnommen.
Das Sediment besteht zu großen Teilen aus Mittel- und Feinkies ebenfalls sind große Mengen an Mittel- und Feinsand, in geringen Mengen ist auch Schluff enthalten. Das Material im Bodenmodell ist dunkelbraun gefärbt.
Anmerkung der Redaktion: Diese Abbildung wurde aus urheberrechtlichen Gründen entfernt.
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Abb. 4: Satellitenaufnahme [Google Maps 2009] des Standorts Auensee, Download [06.02.18]
2.2 Verwendete Chemikalien
In der nachfolgenden Tabelle 2 sind alle in Messungen und Untersuchungen verwendeten Chemikalien aufgelistet.
Tab. 2: Verwendeten Chemikalien im Praktikum
Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten
[...]
- Quote paper
- Nargiza Cakir (Author), 2018, Abbau von chlorierten Kohlenwasserstoffen durch den Einsatz naturverwandter Tenside im Bodenmodell, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/1163175
