DNAPL

Die DNAPL-Ausbreitung im Boden und Grundwasser ist eine sehr komplizierter Vorgang. Für das Verstehen dieser Prozesse ist die Kenntnis einiger grundlegender Begriffe die Voraussetzung. Nachfolgend finden Sie Erläuterungen zu den folgenden Grundbegriffen der Phasenausbreitung. Dabei werden die Erläuterungen auf die LCKW bezogen, da diese Stoffgruppe mit Abstand für die häufigsten DNAPL-Schäden verantwortlich ist:

· DNAPL
· Oberflächenspannung
· dynamische Viskosität
· kinematische Viskosität
· Dichte
· Löslichkeiten
· Sorption
· Dampfdruck
· Relative Dampfdichte
· Mikrobieller Abbau
· hydraulische Durchlässigkeit
· Relative Permeabilität
· Benetzungssituation
· Phasenverteilung (funikular - pendular - insular)
· Rückhaltevermögen
· Residualsättigung
· Diffusion

Die meisten LCKW – so auch deren wichtigste Vertreter Tetrachlorethen (PCE) und Trichlorethen (TCE) – sind schwerer als Wasser. Im anglo-amerikanischen Sprachgebrauch werden organische Stoffe mit über 1 g/cm3 liegenden Dichten als dense non aquous phase liquids (DNAPL) bezeichnet. Insofern ist dieser Terminus übergeordnet zu den LCKW zu sehen und beschreibt das Verhalten organischer Flüssigphasen, die schwerer sind als Wasser.Die Oberflächenspannung ist die Messgröße für die Oberflächenenergie an der Grenzfläche zu Luft.

Die Oberflächenspannung beträgt für Wasser 0,07 N/m und für die meisten LCKW 0,025 - 0,035 N/m. Die Mobilität verschiedener Stoffe steigt mit abnehmender Oberflächenspannung. Infolge der Differenz der Oberflächenspannung neigen LCKW-Phasen im Grundwasser zur Bildung von tropfenförmigen Aggregaten.

Die dynamische Viskosität ist auf die molekulare Kohäsion zurückzuführen und ist ein Maß für die Zähigkeit einer Flüssigkeit. Während die dynamische Viskosität von Wasser bei 1 Pa.s liegt, zeichnen sich die meisten LCKW durch deutlich geringere Werte zwischen 0,4 und 0,6 Pa.s aus. Das Migrationspotential von Flüssigkeiten steigt naturgemäß mit abnehmender dynamischer Viskosität. Der ebenfalls häufig verwendete Begriff kinematische Viskosität entspricht dem Quotienten aus dynamischer Viskosität und Dichte (Dimension m2/s).

Die Dichte ist die in der Volumeneinheit enthaltene Masse eines Stoffes. Die LCKW sind mit Dichten zwischen ca. 1,2 und 1,7 deutlich schwerer als Wasser, so daß sie als eigenständige Phase ins Wasser eindringen können. Von den LCKW besitzen die Einzelstoffe PCE, PCM (Tetrachlormethan), TCM (Trichlormethan) und TCE die stärkste schwerkraftgesteuerte Mobilität.

Im Hinblick auf die Löslichkeiten der LCKW in Wasser wird oft kontrovers darüber diskutiert, ob diese Stoffe als gut oder schlecht wasserlöslich einzustufen sind. Hier hilft jedoch ein Blick auf das amerikanische Schrifttum weiter, in dem zwischen absoluter und relativer Löslichkeit differenziert wird. Danach besitzen LCKW, mit Löslichkeiten von einigen 100 bis einigen 1.000 mg/l geringe absolute Löslichkeiten, die die Ausbildung von eigenständigen Phasenkörpern in der gesättigten Bodenzone ermöglichen. Andererseits sind die relativen Löslichkeiten hoch, da sie weit oberhalb der tolerierbaren Konzentrationen (Überschreitung der Auslöseschwellen für Sanierungen) liegen und somit zu starken Grundwasserverunreinigungen führen. Von den LCKW besitzen die Substanzen cis-1.2-DCE (cis-1.2-Dichlorethen), TCM und VC (Vinylchlorid) die höchsten Mobilitäten im Aquifer.

Das Maß der Sorption von organischen Stoffen an organischen Substanzen wird durch den Koc-Wert gemäß folgender Beziehung beschrieben:

Koc = Kd x 100 / Corg %

Hierbei stellt der Kd-Wert den Verteilungskoeffizient Boden/Wasser für ein Schadstoffgleichgewicht dar. Da für die Ermittlung der Koc-Daten keine "Normsubstanzen" zur Verfügung stehen, zeigen die Literaturwerte je nach dem vorliegenden System starke Schwankungsbreiten. Allgemein nimmt die Sorption der LCKW mit steigendem Chlorierungsgrad zu.

Der Dampfdruck beschreibt die Neigung eines Stoffes aus seiner flüssigen Phase in die gasförmige Phase überzutreten. Die meisten LCKW besitzen im Vergleich zu Wasser (2.300 Pa bei 20 0) mit Werten oberhalb von 3.000 Pa deutlich höhere Flüchtigkeiten. Eine Ausnahme bei den wichtigen LCKW bildet PCE (1900 Pa bei 20 °C). Die Stoffe Chlormethan und VC besitzen Siedepunkte unter 0 °C und liegen bei Normaltemperatur als Gase vor. Insofern können diese Stoffe keine eigenständigen Einzelstoff-Phasenkörper ausbilden.

Die relative Dampfdichte (dimensionslos) von Stoffen wird mit jener von wasserdampfgesättigter Luft bei Normalbedingungen verglichen. Sie gibt somit Auskunft über das mögliche Absinken einer (gesättigten) LCKW-Phase im lufterfüllten Porenraum der Sickerzone. Die relativen Dampfdichten der typischen LCKW liegen mit Werten zwischen 2 und 8 erheblich über der von Wasser.

Der mikrobielle Abbau der LCKW wird in starkem Maße durch die jeweiligen Milieubedingungen gesteuert. Während die höher chlorierten Ethene mit mehr als zwei Cl - Atomen ausschließlich (PCE) bzw. vorherrschend (TCE) unter stark reduzierenden Bedingungen dechloriert werden, läuft der Abbau ab cis-1.2-DCE effektiver im aeroben Milieu ab. Von Bedeutung ist weiterhin, dass die Wasserlöslichkeit mit fortschreitendem Abbau in der Reihe PCE – TCE – cis-1.2-DCE – VC tendenziell ansteigt.

Von den gesteinsorientierten Einflußgrößen der DNAPL-Migration im Untergrund ist zunächst die durch die Korngröße und Kornverteilung bedingte hydraulische Durchlässigkeit von Bedeutung. Naturgemäß steigt die Migration von DNAPL in Lockergesteinen mit zunehmender Korngröße und besserer Sortierung, d. h. enger begrenzten Kornspektren, der Sedimente an. In Kluftgesteinen dringen organische Phasen entsprechend in weitständigere Klüfte besser ein als in enge. Bei Lockergesteinen ist zusätzlich transportbestimmend, dass die horizontale Durchlässigkeit meist 5 - 15 mal höher ist als die vertikale. Folglich wird die laterale und vertikale Ausbreitung von Phasen in starkem Maße durch dieses Verhältnis beeinflußt.

Unter der relativen Permeabilität versteht man die relative Durchlässigkeit einer Phase in einem Mehrphasensystem. Neben der Gas- und Wasserphase tritt bei einer Phasenverunreinigung des Untergrundes die organische als dritte Phase hinzu, so dass die Gesetzmäßigkeiten der Dreiphasenströmung zu beachten sind. Grundsätzlich behindern sich die drei Fluide gegenseitig bei der Migration. Die Fließfähigkeit jeder einzelnen Phase ist an das Vorliegen von Mindestsättigungen dieser Phase gebunden. Diese phasenbezogenen Minimalsättigungen betragen mindestens ca. 28 % für Wasser, 14 % für Luft und 30 % für organische Phasen. Vorraussetzung für die Fließfähigkeit einer Phase ist somit ein bestimmter Sättigungsgrad und eine sogenannte funikulare Phasenverteilung bei der die Porenräume und Zwickel vollkommen mit der entsprechenden Phase ausgefüllt sind. Im Gegensatz zu der funikularen Verteilung sitzen die DNAPL bei der insularen Verteilung ohne Verbindung über die Porenkanäle singulär in den Gesteinsporen. Als pendular bezeichnet man dann die Verteilungsform, bei der die Phasentröpfchen an Korngrenzen des Kornverbandes haften. Naturgemäß treten in den meisten Fällen Mischformen der beschriebenen Phasenverteilungen auf.

Mit ausschlaggebend für die Migration von flüssigen Phasen ist die Benetzungssituation. In jedem Mehrphasensystem benetzt eine der Phasen vorherrschend die Oberflächen des Feststoffes. Die verbreiteste Methode zur Ermittlung der Benetzung besteht in der experimentellen Messung des sog. Kontaktwinkels an der Grenzfläche der festen gegen die flüssige Phase. Grundsätzlich ist davon auszugehen, daß in silikatischen Gesteinen in der Regel Wasser gegenüber LCKW als benetzende Phase dominiert. Dabei wird das Wasser bevorzugt den direkten Kontakt mit der festen Phase bilden und zusätzlich die Kleinporen ausfüllen. Dagegen werden die nicht benetzenden LCKW in erster Linie den Raum der Mittel- und Großporen in Form eigenständiger Tropfen einnehmen. Da die Benetzung in starkem Maße von der Oberflächenspannung abhängt, hat die Anwesenheit bestimmter Wasserinhaltsstoffe - z. B Alkohole, Tenside, organische Säuren und deren Salze - starken Einfluß auf die Benetzungsverhältnisse. Durch die vorgenannten Stoffe wird die Oberflächenspannung des Wassers reduziert, so dass es zu einer Umverteilung der Benetzungsverhältnisse kommen kann. Darüber hinaus spielt die mineralogische Zusammensetzung des Gesteins eine entscheidende Rolle. So können in karbonatischen Gesteinen LCKW eher als benetzende Phase auftreten.

Während sich der Begriff Rückhaltevermögen auf geologische Einheiten unter Einbeziehung von Heterogenitäten bezieht, umfaßt die Residualsättigung die „Fixierung“ von DNAPL durch Gesteine bestimmten Kornaufbaus und definierter Durchlässigkeit. Dabei nimmt die im wesentlichen durch Kapillarkräfte bestimmte Residualsättigung mit steigender Korngröße stark ab. So liegt die Residualsättigung für PCE in der Sickerzone für kiesige Grobsande bei ca. 7.000 mg/kg und für Feinsande bei ca. 22.000 mg/kg. Die Residualsättigung in der gesättigten Zone ist ca. 1,6 mal größer als in der ungesättigten Zone.

Als wichtiger Mechanismus der LCKW-Verteilung in der Bodenluft und im Grundwasser ist die durch die Molekularbewegung gesteuerte molekulare Diffusion zu betrachten. Dabei verläuft der Transport entsprechend dem Konzentrationsgefälle vom Ort höherer zum Ort niedrigerer Konzentration. Sowohl die Desorption als auch die Lösung der LCKW im Grundwasser werden in starkem Maße durch die Diffusion gesteuert. Diese Prozesse laufen unter Ungleichgewichtsbedingungen und damit sehr langsam ab. Die LCKW-Konzentrationen in der Wassersphase liegen folglich weit unterhalb der Gehalte, die sich unter Gleichgewichtsbedingungen einstellen würden.


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Publikation Nr. 14:

„Verhalten von DNAPLs im Untergrund unter besonderer Berücksichtigung der LCKW“

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