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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.

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