Einfluss der Aquiferlithologie des Neckartals auf die Sorption und Sorptionskinetik organischer Schadstoffe

Abstract

Eine Vielzahl der heute bekannten Untergrundverunreinigungen in SW-Deutschland befindet sich in den Lockersedimenten der Talaquifere. Diese sind durch die bevorzugte Nutzung der Flusstäler für urbane und industrielle Ansiedlungen in besonderem Maße einem Eintrag von Schadstoffen ausgesetzt. Zur Beurteilung möglicher Sanierungsmethoden oder zur Gefahrenbeurteilung z.B. für das Grundwasser kommt einer möglichst genauen Kenntnis der Transportvorgänge hier eine große Bedeutung zu. Der Transport gelöster organischer Schadstoffe im Grundwasser unterliegt in großem Ausmaß den Wechselwirkungen mit den verschiedenen Bestandteilen des heterogenen Aquifermaterials. Ziel dieser Arbeit war es, die Sorption und Sorptionskinetik hydrophober organischer Verbindungen (PHE und TCE) innerhalb der petrographisch unterschiedlichen Komponenten (Lithokomponenten) der heterogenen Aquifersedimente des Neckartals und von Festgesteinen aus deren Liefergebiet zu untersuchen. Neben verschiedenen sedimentpetrographischen Methoden kamen dabei vor allem Laborversuche zur Gleichgewichtssorption und zur Sorptionskinetik zum Einsatz. Die Sorption im Gleichgewicht lässt sich für alle untersuchten Komponenten mittels dem nichtlinearen Freundlich-Sorptionsmodell beschreiben. Innerhalb der Aquifersedimente des Neckartals wird die Sorption eindeutig durch die Muschelkalke und Jurakalke dominiert, wobei die Verteilungskoeffizienten v.a. eine Funktion des Gehalts an organisch gebundenem Kohlenstoff und darüber hinaus des Inkohlungsgrades (Reife) des organischen Materials sind. Eine Abschätzung der Verteilungskoeffizienten aus dem Gehalt an organischem Kohlenstoff ist unter Verwendung kohlenpetrographischer Methoden möglich. Die Sorptionskinetik der untersuchten Lithokomponenten und Festgesteinsfragmente ist diffusionslimitiert und läßt sich sehr gut durch eine numerische Lösung des 2. Fick’schen Gesetzes beschreiben. Die Jurakalke und v.a. die Muschelkalke zeigten aufgrund hoher Verteilungskoeffizienten und niedriger Intrapartikelporositäten eine sehr langsame Kinetik. Eine schnellere Kinetik aufgrund niedrigerer Verteilungskoeffizienten und hoher Porositäten zeigten die Sandsteine. I.d.R. folgte die Sorptionskinetik dem Modell der Intrapartikelporendiffusion, womit eine Abschätzung effektiver Diffusionskoeffizienten aus der Intrapartikelporosität nach Archie’s Law möglich ist. Für sehr kleine Korngrößen oder hochporöse Sandsteine, die grobes organisches Material enthalten, ist die Diffusion in das partikuläre organische Material (POM) der die Kinetik limitierende Prozess. Für das POM, das innerhalb des Korngefüges der Sedimentgesteine lokalisiert ist, wurden Partikelgrößen von bis zu 50 µm beobachtet. Gereiftes organisches Material verfügt darüber hinaus über deutliche Anteile an Mikroporosität (Poren < 2 nm). Für hochporöse Sandsteine, die über eine gering poröse Matrix verfügen (z.B. als Zement), kann u.U. die Diffusion in diese Matrix der die Kinetik limitierende Prozess sein. Verwitterung und Transport der Komponenten haben keinen wesentlichen Einfluss auf die Sorptionskinetik. Sorption und Desorption scheinen zumindest für die in dieser Arbeit untersuchten Komponenten reversibel zu sein. Eine Vorhersage der Sorptions-/Desorptionskinetik in den heterogenen Aquifersedimenten des Neckartal auf der Basis der physikalischen Parameter und der Sorptionskapazität der verschiedenen Komponenten ist unter Verwendung des Lithokomponentenansatzes und der numerischen Lösung für die Intrapartikelporendiffusion möglich. Auf der Basis dieser Ergebnisse lässt sich der reaktive Stofftransport im Grundwasser auch unter Ungleichgewichtsbedingungen berechnen.

Subsurface contaminations with hydrophobic organic contaminants such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) or chlorinated solvents are frequently found in shallow Aquifer systems like the River Neckar valley in SW-Germany. Possible risks that arise for the groundwater quality or the choice of remediation techniques depend on the transport behavior of the contaminants. The transport velocity is mainly determined by sorptive interactions between the dissolved pollutants and the heterogeneous aquifer material. Objective of this work was to investigate sorption and sorption kinetics of phenanthrene and trichloroethylene in different lithocomponents of the heterogeneous River Neckar valley sediments and of fresh rocks of the respective source areas. In addition to petrography methods mainly laboratory batch experiments were performed. Sorption was nonlinear for all samples investigated. In the River Neckar aquifer sediments sorption was governed by triassic and jurassic carbonates. Distribution coefficients are mainly a function of organic carbon content and organic carbon quality. An estimation of sorption capacity based on the organic carbon content and coal petrography methods is possible but gets more difficult due the heterogeneity of the organic matter. Sorption kinetics is diffusion limited and can be modeled using a numerical solution of Fick’s 2nd law. Due to their high sorption capacities and low intraparticle porosities the jurassic and especially the triassic carbonates showed very slow sorption kinetics. Faster sorption kinetics was observed for the sandstones due to their low sorption capacities and high intraparticle porosities. In most cases sorption kinetics was governed by intraparticle pore diffusion and predictions of effective diffusion coefficients were possible based on the intraparticle porosity and Archie’s Law. For small grains or highly porous sandstones containing coarse particulate organic matter (POM) diffusion into the organic matter (intrasorbent pore diffusion) is the limiting process in sorptive uptake. Particle sizes of up to 50 µm were observed for POM, furthermore mature organic matter may contain significant amounts of microporosity (pores < 2 nm). For highly porous sandstones containing a low porosity matrix (e.g. as cementation), the diffusion into this matrix may be the limiting process in sorptive uptake. Weathering and transport of the components had no significant impact on sorption and sorption kinetics. Sorption and desorption seems to be reversible at least for the components investigated in this work. Predictions of sorption/desorption kinetics in the heterogeneous River Neckar aquifer sediments is possible based on physical properties and sorption capacities of the different lithocomponents using the numerical modeling for a multi-component system. Based on the results of this work the reactive transport under non equilibrium conditions in the River Neckar aquifer sediments can be modeled.