Band 33:
Spang, G. (2000): Messung und Modellierung von Sorptions- und Diffusionsprozessen in einem Lößboden - Batch- und Säulenperkolationsversuche mit Stoffen unterschiedlicher Matrixaffinität.
(Measurement and modelling of sorption and diffusion processes in a loess soil - Batch- and column-experiments with ions of different matrix affinity).
272 S., 59 Abb., 82 Tab., 16,- EUR.
Zusammenfassung Band 33
Spang, Günter: Messung und Modellierung von Sorptions- und Diffusionsprozessen in einem Lößboden – Batch- und Säulenperkolationsversuche mit Stoffen unterschiedlicher Matrixaffinität. Bonner Bodenkundl. Abh. 33 (2000), 272 S.
In Laborversuchen erfolgte die Messung von Sorptions- und Diffusionsprozessen für ausgewählte Ionen in einem Lößboden sowie die Kennzeichnung des Einflusses dieser Vorgänge auf das Transportverhalten der Stoffe in Bodensäulen. Die gewonnenen Daten dienten zur Kalibrierung und Validierung der entwickelten Simulationsmodelle ESORP und ESTIM.
Eine erweiterte Form der Freundlich-Sorptionsisotherme (s = c1/n – Q) ermöglichte die vergleichsweise beste Beschreibung der Meßdaten aus 24-stündigen Batchversuchen zur Ad-/Desorption. Eine Reihung der Stoffe hinsichtlich ihrer Adsorptionsstärke im Batchversuch ergibt für den Ah-Horizont die Abfolge: SO42- < Na+ < Mg2+ < K+ < Phosphat-P < MoO42- < Zn2+ < Cd2+. Im Unterboden wurde - mit Ausnahme von MoO42-- für alle untersuchten Ionen eine stärkere Adsorption beobachtet als im Ah-Horizont. Mit Ausnahme von SO42- und Na+ wurde für alle untersuchten Stoffe eine Sorptionshysterese festgestellt.
In Batchversuchen zur Zeitabhängigkeit der Ad-/Desorption von Phosphat und Zink ergab sich für beide Stoffe eine bimodale Sorptionskinetik. Diese konnte mit dem entwickel-ten Sorptions-/Diffusionsmodell ESORP als zeitlich aufeinanderfolgende Kombination von spontaner Oberflächenadsorption und langsamer Festkörperdiffusion der Ionen in das Innere von Bodenpartikeln, in erster Linie von pedogenen Oxiden, beschrieben werden. Die bei der Desorption beobachtete Sorptionshysterese wurde durch die verwendeten Diffusionsglei-chungen insbesondere im Falle des Phosphates gut erklärt.
Die in Säulenperkolationsversuchen unter wassergesättigten Fließbedingungen für den konservativen Tracer Bromid ermittelten Durchbruchskurven (DBK) konnten mit dem Trans-portmodell ESTIM auf Basis der Konvektions-Dispersionsgleichung gut simuliert werden, wobei das bei schnelleren Flüssen beobachtete physikalische Ungleichgewicht durch das Mobil-Immobil-Konzept berücksichtigt wurde. Die einfache, linear verlaufende Sulfat-Adsorption in den Bodensäulen wurde mittels der Freundlich-Gleichung durch das Modell ESTIM gut beschrieben. Die beim Phosphat-Transport beobachteten sorptionsbedingten Ungleichgewichte konnten mit ESTIM durch Verwendung gekoppelter Sorptions- und Diffusi-onsgleichungen in fast allen Fällen gut beschrieben werden. Die DBK für Zn, Ca und Mg wurden in ihrem Verlauf wesentlich durch Kationenaustauschprozesse geprägt. Im Falle des Zn traten Schneepflug-Effekte durch schlagartige Verdrängung der adsorbierten Kationen auf.
Während sich für Sulfat nur geringe Abweichungen zwischen den Adsorptionspara-metern aus Batch- und Säulenversuchen ergaben, zeigten die aus den Phosphat-DBK errech-neten Freundlich-Adsorptionsparameter eine starke Abhängigkeit von den Transportbedingungen und nahmen ein größeres Spektrum ein als die Freundlich-Koeffizienten aus den Batchversuchen.
Summary Band 33
Spang, Günter: Measurement and modelling of sorption and diffusion processes in a loess soil – Batch- and column-experiments with ions of different matrix affinity. Bonner Bodenkundl. Abh. 33 (2000), 272 p.
Laboratory experiments were used to measure the processes of sorption and diffusion for se-lected ions in a loess soil. The work was conducted to characterize the influence of these pro-cesses on the transport of the ions in soil columns. The data obtained in the experiments were used for calibration and validation of new simulation models ESORP and ESTIM.
An extended version of the Freundlich sorption isotherm (s = c1/n – Q) gave the best description of the data from the ad-/desorption batch experiments (24 h agitation). The ad-sorption of the different ions in the Ah soil horizon increased in the following manner: SO42- < Na+ < Mg2+ < K+ < phosphate-P < MoO42- < Zn2+ < Cd2+. In the subsoil, stronger adsorption was observed for all ions - with exception of MoO42- - compared to Ah horizon. All ions in-vestigated - with exception of SO42- and Na+ - revealed a sorption hysteresis.
The batch experiments showed bimodal sorption kinetics, which demonstrated the temporal dependence of phosphate and zinc sorption. This sorption behavior could be de-scribed by a sorption/diffusion model that was developed, i.e. ESORP, which assumed spon-taneous adsorption on outer surfaces and, subsequently, a long term solid state diffusion to the inner surfaces of soil particles, especially iron oxides. The sorption hysteresis observed during desorption of phosphate was also accurately described by the applied diffusion equations.
In column percolation experiments breakthrough curves (BTC’s) were derived. The BTC’s for the conservative tracer Br, obtained in water saturated flow experiments, were simulated using the transport model ESTIM. The model calculations were based on the con-vective-dispersive equation and proved to be successful. In the column experiments that were conducted with higher flow velocity, a physical nonequilibrium was observed and could be described with ESTIM, considering the concept of mobile/immobile pore regions in soil. The simple linear adsorption of sulfate in the soil columns was very accurately simulated with ESTIM using a Freundlich type sorption isotherm. The sorption nonequilibrium observed during phosphate transport could be adequately described in most of cases by the model,
ESTIM, using coupled sorption/diffusion equations. The BTC’s for Zn, Ca and Mg showed a strong impact of cation exchange processes. The Zn-BTC’s revealed snowplow effects as a reflection of the fast displacement of the adsorbed ions from outer surfaces.
The sulfate sorption parameters determined in batch- and column-experiments differed only by a small degree. However, Freundlich sorption parameters derived from phosphate BTC’s showed the strong influence of transport conditions and revealed a wider range than the Freundlich coefficients determined in batch studies.