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Skalierung von Sorptionsisothermen und physikochemischen Bodeneigenschaften zur Quantifizierung der feldskaligen Variabilität der Retardation reaktiver Stoffe in Böden

Die adsorptive Bindung reaktiver Stoffe steuert deren Mobilität und Auswaschungsgefährdung in Böden und wird meist durch Sorptionsisothermen quantifiziert. Diese werden an punktuell entnommenen Bodenproben gemessen und weisen meist eine große Variabilität auf. Aufgrund dieser Variabilität können viele Fragestellungen auf der Feldskala nur unzuverlässig beantwortet werden. Ziel des Projekts ist es, eine wesentlich verbesserte Methodik für das upscaling der adsorptiven Bindung reaktiver Stoffe am Beispiel ausgewählter Schwermetalle zu entwickeln. Die Methodik beruht auf der Berechnung von Skalierungsfaktoren, die den linearen Variabilitätsanteil der Sorption erfassen. Kernhypothesen des Antrags sind, dass diese Skalierungsfaktoren für Sorptionsisothermen verschiedener Schwermetalle eng korreliert sind und dass sie weiterhin eng mit physikochemischen Bodeneigenschaften (Kationenoder Anionenaustauschkapazität) korrelieren. Daraus resultiert als wesentliche Innovation, dass nur wenige Messungen zur lokalen Stoffadsorption und zu physikochemischen Bodeneigenschaften erforderlich sind, um feldskalige Aussagen zur Schwermetallbindung und -mobilität machen zu können. Die Entwicklung der Methodik sowie die Prüfung ihrer Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen sollen für eine Auswahl verbreiteter Böden durchgeführt werden.

Entwicklung und Anwendung eines Simulationsmodells zur Untersuchung von Art und Umfang der Bindung von Schwermetallen an standortspezifische biogene Huminstoffe unter natuerlichen oder naturnahen Bedingungen in Fliessgewaessern

Experimentelle Untersuchungen zur Frage der Bindungsart und Mobilisierbarkeit von Schwermetallen in Schwebstoffen und Sedimenten im Uebergangsbereich Suesswasser-Meerwasser

Schwermetalle im Boden: Schwermetalle im Huminstoffsystem unterschiedlich belasteter Boeden und deren Beziehung zur Pflanzenaufnahme

Basierend auf Laborversuchen zur Bindung von Schwermetallen an Huminstoffe wird versucht, die Bedeutung des Humus fuer die Festlegung oder Mobilisierung von Schwermetallen im Boden und somit fuer die Pflanzenverfuegbarkeit zu evaluieren. Als Methoden kommen Gefaessversuche, Sandkulturversuche und Naehrloesungsversuche zur Anwendung. Die Ergebnisse des ersten Gefaessversuches lassen einen Einfluss des Huminstoffsystems auf die Geschwindigkeit und Staerke der Festlegung von kuenstlich aufgebrachtem Zn und Cd erkennen.

Auswirkungen der Konditionierungsanlagen im Zulauf der Talsperre Spremberg auf den Fischbestand und die Mollusken

Zielstellung: In der Talsperre Spremberg und vor allem in der Vorsperre Bühlow wird ein Großteil der Eisenfracht der Spree durch Sedimentation zurückgehalten. Um die Sedimentationsgeschwindigkeit und den Eisenrückhalt in der Vorsperre zu erhöhen, werden Kalkmilch und ein Flockungshilfsmittel vor der Vorsperre eingeleitet. Vor dem Beginn der Wasserkonditionierung sollte eine Vorabschätzung zu möglichen Auswirkung der Flockungsmittel Weißkalkhydrat in Kombination mit dem Flockungshilfsmittel Koaret PA 3230 T auf den Fischbestand in der Talsperre Spremberg erfolgen. In einem weiteren Schritt wurde ein Monitoring der Jungfisch-, Benthos- und Großmuschelbestände im Rahmen der FFH-Verträglichkeitsprüfung für die Ausbringung von Flockungsmitteln in der Talsperre Spremberg begonnen. Ergebnisse: Die fachliche Vorabschätzung der möglichen Auswirkungen der Flockungsmittel Weißkalkhydrat in Kombination mit dem Flockungshilfsmittel Koaret PA 3230 auf den Fischbestand der Talsperre Spremberg (LEWIN & RÜMMLER, 2015) ergab, dass die ausgebrachten Mengen der Stoffe weit unterhalb kritischer Grenzwerte liegen und somit von keinen negativen Einflüssen auf den Fischbestand ausgegangen werden kann. Die Untersuchungen des Makrozoobenthos ergaben gegenüber dem Vorjahr einen Anstieg der Bodentierdichte um das Dreifache. Ein Einfluss der Intensität der Eisenockerbildung auf die Benthosdichte konnte nicht festgestellt werden. Im Jahr 2015 war somit eine deutlich bessere Nahrungsgrundlage für eine Vielzahl von Fischarten vorzufinden als im Jahr 2014. In der Talsperre Spremberg wurden die drei Großmuschelarten Gemeine Teichmuschel, Malermuschel und Große Flussmuschel mit abschnittsweise hohen Besiedlungsdichten vorgefunden. Aus diesem Grund ist die Talsperre als schützenswerter und bedeutender Großmuschellebensraum in Südbrandenburg einzustufen. Es zeigte sich jedoch auch, dass vor allem die schwankenden Wasserstände und die Eisenockerablagerungen das Vorkommen oder Fehlen von Großmuscheln deutlich beeinflussten. Die Untersuchung des Gesamtfischbestandes ergab, dass 2015 bei gleicher Artenanzahl teilweise andere Fischarten als im Vorjahr in den Fängen auftraten. Der erhöhte Diversitätsindex zeigte eine gegenüber 2014 gesteigerte Artenvielfalt des Fischbestandes. Der Einheitsfang mit den benthischen Stellnetzen, als relatives Maß für die Bestandsgröße, war 2015 um das Dreifache größer als 2014. Die Ergebnisse der Elektrofischerei und der Stellnetzfischerei bestätigten ein natürliches Jungfischaufkommen von 11 der 13 nachgewiesenen Fischarten. Ausnahmen davon bilden Aal und Döbel. Somit konnte anhand der durchgeführten Untersuchungen kein negativer Einfluss auf die natürliche Reproduktion der nachgewiesenen Fischarten festgestellt werden. Zusammenfassend konnte kein direkter negativer Zusammenhang zwischen dem Betrieb der Konditionierungsanlage und den derzeitigen Fisch-, Benthos- und Großmuschelbeständen in der Talsperre Spremberg festgestellt werden.

Herstellung von Lignin-Hydrogelen aus Ablaugen der Zellstoffindustrie (Lignohydro)

Ziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines Verfahrens zur stofflichen Nutzung von Lignin aus Ablaugen der Sulfat-und Sulfitzellstoffproduktion als Hydrogel. Um das Ziel des Vorhabens zu erreichen, werden verschiedene Arbeitspakete definiert. AP 1 Die Lignine werden über Fällung aus den Ablaugen separiert und mittels Membranfiltrationsanlag gereinigt. AP 2 Es werden nasschemische (Bestimmung funktioneller Gruppen), spektroskopische (IR, NMR) chromatographische Methoden (GPC, Pyrolyse GC/MS) sowie die Elementaranalyse eingesetzt, um die Lignine in ihrer strukturellen Zusammensetzung zu charakterisieren. AP 3 Kenntnisse zur Löslichkeit des Lignins im Reaktionsmedium sind Voraussetzung für eine effektive Umsetzung. AP 4 Der Einfluss einer physikalischen oder chemischen Vorbehandlung auf die Lignine wird untersucht, wobei sowohl die reaktiven Oberflächen als auch die Anzahl an funktionellen Gruppen erhöht werden soll. Für die Vernetzung werden verschiedene physikalische und chemische Vernetzungsmethoden eingesetzt. AP 5 Die mechanische Stabilität der Hydrogele erfolgt mittels rheomechanischer Untersuchungen. AP 6 Zur Bestimmung der Wasserspeicherkapazitäten werden sowohl die freie Quellkapazität als auch die Zyklenstabilität der Quellung untersucht. AP 7 Hierbei stehen die Korrelationen zwischen der chemischen Struktur und den makroskopischen Eigenschaften der Hydrogele im Vordergrund. Diese Korrelation führt letztlich zur einer Steuerung der Eigenschaften durch die Wahl der Ausgangsstoffe und Reaktionsbedingungen. AP 8 Es werden verschiedene Anwendungsmöglichkeiten getestet. Zunächst wird die Verwendung als Bodenwasserspeicher in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner in Pflanzversuchen untersucht. Mit einem weiteren Industriepartner wird der Einsatz als Abbindeverzögerer in Baustoffen getestet. Ferner werden die adsorptiven Eigenschaften der Hydrogele gegenüber Schwermetallen und toxischen organischen Substanzen geprüft.

Mikrobielle Fe(II) Oxidation und Schwermetall-Co-Präzipitation in der Rio-Tinto-Region, Spanien

Die Verschmutzung aquatischer Ökosysteme durch Schwermetalle stellt eine große Bedrohung dar für Lebewesen, die mit diesem Wasser in Kontakt kommen. Saure Grubenwässer die sich in Bergbauregionen bilden, transportieren häufig große Mengen an Schwermetallen in die lokalen Flüsse, die dadurch mit den Schwermetallen verschmutzt werden. Die Region um den Rio Tinto Fluss in der Huelva Provinz in Spanien ist von großem Interesse, da sie als die eines der am meist verschmutzten Fluss- und Mündungsgebiete der Welt gilt. Die Rio Tinto Region lässt sich in drei Gebiete einteilen basierend auf topologischen, geologischen und geochemischen Parametern: der nördliche Teil, der durch konstante hydrogeochemische Parameter gekennzeichnet ist, mit einem saurem Durchschnitts-pH-Wert von 2.3 und hohen Konzentrationen an gelöstem Fe(II), die Mündungsregion mit einem täglich fluktuierenden pH-Gradienten von 2.5 bis 6.8 sowie die dazwischenliegende Übergangsregion. Trotz des sauren pH Wertes und des hohen Schwermetallgehalts ist der Rio Tinto durch hohe mikrobielle Eisenoxidations-Aktivität gekennzeichnet. Diese Eisenoxidation stimuliert die Bildung von Fe(III) Mineralen und dadurch den Prozess der Schwermetallimmobilisierung durch Co-Präzipitation mit den Mineralen oder Sorption an die Minerale. Das erste Ziel des vorliegenden Antrags ist deshalb den Einfluss der räumlichen und zeitlichen pH-Fluktuationen auf die Abundanz und Aktivität der eisenoxidierenden Mikroorganismen zu untersuchen (insbesondere in der Übergangsregion) und zu bestimmen, ob und wie die pH-Fluktuationen die Aktivität dieser Mikroorganismen unterdrücken oder stimulieren. Das zweite Ziel ist zu bestimmen ob diese pH-Dynamik die Identität und Zusammensetzung der durch abiotische und biotische Eisenoxidation gebildeten Minerale beeinflusst. Das dritte Ziel ist zu bestimmen wie diese biogeochemischen Prozesse und die Zusammensetzung und Identität der Minerale das Umweltverhalten und den Transport der Schwermetalle in den drei Regionen des Rio Tinto Flusses beeinflusst. Die Ergebnisse dieses Projekts helfen uns die Mobilität von Schwermetallen sowohl in der Rio Tinto Region als auch in vielen anderen Schwermetall-verschmutzten Bergbaugebieten der ganzen Welt besser zu verstehen.

Polyvalente Trennungen in Membranen: Polinom: Polyvalente Trennung durch flexible Integration aktiver Oberflächen in Membranen

Übergreifendes Ziel des Projektes ist die Kombination von Oberflächenbeschichtungen mit Mixed-Matrix-Membranen, um poröse Membranen mit heterarchischen inneren Oberflächen zu entwickeln. Dadurch sollen unterschiedliche Stoffgruppen aus Wasser mit hoher Kapazität und Selektivität gebunden und Systeme einfach an wechselnde Fragestellungen der Wasserreinigung angepasst werden können. Daraus abgeleitet hat das Teilvorhaben zwei Hauptziele: i) Etablierung einer Bibliothek von makromolekularen Beschichtungsmaterialien und sowie von komplementär funktionalisierten Membranpolymeren, sodass die effektive und stabile Integration der Beschichtungen in Filtrations-Membranen möglich ist und zu zusätzlichen Selektivitäten für die Abtrennung von spezifischen Stoffen führt; ii) Beiträge zur Integration der neuen Beschichtungen in Mixed-Matrix-Membranen mit hoher Selektivität und Kapazität. Weiterhin sollen in Kooperation mit den Verbundpartnern Beiträge zu Aufskalierung der Membranherstellung und -funktionalisierung geleistet werden. Die Arbeitsschwerpunkte liegen auf den Gebieten der Polymersynthese sowie der Membranherstellung und -funktionalisierung, wobei als Kerninnovation die 'Click'-Chemie für die Herstellung von Membranadsorbern für Schwermetallionen etabliert werden soll. Arbeitsaufgaben sind: i) Synthese von funktionalen 'click'-baren Polymeren mit einstellbarer Metall-Affinität für die Postfunktionalisierung; ii) Synthese von funktionalisiertem Membranpolymer für die 'click'-Kopplung der Affinitätspolymer-Beschichtung, iii) Optimierung der 'click'-Kopplung sowie Auswahl der am besten geeigneten Materialkombinationen. Weiterhin wird an Mixed-Matrix-Membranen die Integration der am besten geeigneten Beschichtungen zur Herstellung von polyvalenten Membranadsorbern untersucht, und es werden neue Polymer-Materialien zur Aufskalierung bereitgestellt.

EoL-Cycle - End-of-Life Cycle von PV-Modulen: Aufarbeitung von Altmodulen und Rückführung von Wertstoffen in den Stoffkreislauf, Teilvorhaben: Demonstrator für chemische Prozessschritte

Das übergeordnete Ziel dieses Projektes ist die Erweiterung des bestehenden, industriell erprobten Recyclingprozesses dahingehend, dass die nutzbaren Metalle wie Silber, Zinn oder Kupfer zurückgewonnen werden und dass eventuelle Schwermetalle aus dem Lot (insbesondere Blei), abgetrennt und gebunden werden können. Hierfür werden neue Trenn-, Klassierungs- und Reinigungsverfahren angewendet, in Kombination mit nasschemischen Ätzschritten, gefolgt von Schmelz- und Raffinationsschritten.

PROMETEUS: Entsorgung von radioaktivem Quecksilber und quecksilberhaltigen Reststoffen aus dem Rückbau kerntechnischer Anlagen

Zielstellung des beantragten Verbundprojektes ist es, die verfahrens-, arbeitssicherheits- und genehmigungstechnischen Voraussetzungen für eine Entsorgung von radioaktivem Quecksilber zu entwickeln. Die Behandlung oder Entsorgung von bestehenden Abfallkontingenten ist nicht Gegenstand des Projektes. Das im Projekt entwickelte Entsorgungskonzept wird mit repräsentativem Probematerial auf die Anwendbarkeit hin überprüft. Für aktiviertes Quecksilber oder quecksilberhaltige Reststoffe, die nicht dekontaminiert werden können sowie für die Dekontaminationsrückstände, welche an Aktivität angereichert wurden, soll innerhalb des Verbundprojekts untersucht werden, welche chemische Konversion zielführend ist und in welche inerten Matrices diese eingebunden werden können. Zielstellung des Konditionierungsverfahrens ist es, eine möglichst vollständige Immobilisierung der Radionuklide zu gewährleisten. Dies würde eine Endlagerung der radioaktiven Abfälle ermöglichen. Das Projekt soll die Grundlage für eine gesicherte Entsorgungsplanung der Ablieferungspflichtigen bilden. Es sind insgesamt 13 Arbeitspakete vorgesehen, wobei es sowohl um die genauere Untersuchung der vorhandenen Abfallkontingente geht (Identifizierung & Charakterisierung), als aber auch um die Erforschung eines geeigneten Dekontaminationsverfahrens für das radioaktive Quecksilber. AiNT wird zudem seine Kompetenz in den Bereichen Freigabeverfahren und Konditionierungskonzept einbringen.

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