Untersuchungen zum Adsorptionsverhalten von organischen Spurenstoffen und Schwermetallen an Sedimenten des Neusiedlersees

Abstract

Die Konzentrationen an organischen Spurenstoffen und Schwermetallen werden in Zukunft in Gewässern ansteigen. Am Beispiel des Neusiedlersees ist die Konzentration an organischen Spurenstoffen und Schwermetallen im Seewasser geringer, als es der Eintrag durch den größten Zubringer, der Wulka, vermuten lässt. Eine Möglichkeit, wie die Stoffe aus dem Seewasser entfernt werden, besteht in der Adsorption an das Sediment. Die vorliegende Diplomarbeit beschäftigt sich mit der Adsorption von ausgewählten organischen Spurenstoffen und Schwermetallen an Sedimenten des Neusiedlersees. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Bestimmung der Kinetik, der Modellierung von Adsorptions Isothermen und der Bestimmung der Entfernungsrate der betrachteten Stoffe. Der Einfluss des Sauerstoffgehaltes und der Temperatur auf die Adsorption wurde untersucht. Mit Hilfe der Ergebnisse wird ein Rückschluss auf die Adsorption, bei einem Anstieg der Konzentrationen um das Zehnfache, gezogen. Daten für die Auswertung wurden aus Schüttelkolbenversuchen gewonnen. Dabei wurde der Versuch der Kinetik, in Abhängigkeit von vier Versuchsbedingungen, für die Versuchsdauer der folgenden Adsorptionsversuche herangezogen. Die Versuchsbedingungen definieren den Sauerstoffgehalt und die Temperatur. Nach 72 Stunden stellte sich bei allen Stoffen ein Gleichgewicht, zwischen der Konzentration in der flüssigen Phase und der Beladung des Sedimentes, ein. Bei den betrachteten organischen Spurenstoffen handelt es sich um Acesulfam K, Bezafibrat, Carbamazepin, Diclofenac, Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) und Perfluoroctansäure (PFOA). Zudem wurden die Schwermetalle Blei, Cadmium, Kupfer, Nickel und Zink analysiert. Die Stoffe wurden in einem Mehrkonzentrationsgemisch analysiert. Das Adsorptionsverhalten der betrachteten Stoffe wird an drei verschiedenen Sedimenten, in Abhängigkeit von vier Versuchsbedingungen, untersucht und bewertet. Die Laborergebnisse der Adsorptionsversuche wurden zur Bestimmung der Henry, Freundlich und Langmuir Isotherme herangezogen. Die Isothermen wurden aus den Daten mit einer linearisierten Regression modelliert. Mit Hilfe der daraus abzuleitenden Informationen konnten Aussagen zur Stärke der Adsorption über den KH-Wert und den KF -Wert sowie die maximale Beladung des Sedimentes über den qm-Wert getroffen werden. Von den organischen Spurenstoffen wiesen PFOS und PFOA die größten KH-Werte auf. Bei den Schwermetallen zeigte Zink die höchsten Werte für KH. Bei der Auswertung nach Freundlich stellte sich Carbamazepin mit dem größten KF -Wert heraus. Den höchsten KF -Wert bei den Schwermetallen verzeichnete Blei. Unter den organischen Spurenstoffen wiesen Carbamazepin und Diclofenac die größten Werte für die maximale Beladung des Sedimentes auf. Bei den Schwermetallen lag der größte Wert der maximalen Beladung bei Zink vor. Die Auswertung der Ergebnisse lässt nur in Einzelfällen auf einen direkten Zusammenhang mit den Versuchsbedingungen schließen. Viel mehr zeigt sich eine Abhängigkeit der Ergebnisse vom verwendeten Sediment und dessen Zusammensetzung. Organische Spurenstoffe wurden stärker an Sedimenten adsorbiert, die einen höheren Anteil an organischen Substanzen aufwiesen. Ein Zusammenhang zwischen dem log KOW und einer stärkeren Adsorption wurde nicht bestätigt. Hohe Entfernungsraten konnten bei allen Stoffen nachgewiesen werden. Die Ergebnisse lassen darauf schließen, dass im Neusiedlersee weiterhin Stoffe aus dem Seewasser an das Sediment adsorbiert werden können.

In the future the concentrations of organic trace substances and heavy metals will increase in water bodies. In the example of Lake Neusiedl, the concentration of organic trace substances and heavy metals in lake water is lower than assumed with regards to the supply of its largest tributary, Wulka. One way of removing the substances from the lake water is by adsorption to the sediment. This diploma thesis analyses the adsorption of selected organic trace substances and heavy metals on sediments of Lake Neusiedl. The focus lies on the determination of kinetics, the modelling of adsorption isotherms and the removal rate of the considered substances. The influence of oxygen content and temperature on adsorption was examined. The results are then used to draw conclusions about the adsorption when concentrations increase tenfold. The data collected from the adsorption experiments was obtained using the shaking flask methodology. Kinetic experiments were conducted examining four different variables and the results from these experiments were used to calculate the time of the following adsorption experiments. These variables also defined the oxygen content and temperature for the experiments. It can be assumed that after 72 hours all substances reach equilibrium between the concentration in the liquid phase and loading of the sediment. The organic trace substances meassured during this study were Acesulfame K, Bezafibrate, Carbamazepine, Diclofenac, PFOS and PFOA. Furthermore, the heavy metals Lead, Cadmium, Copper, Nickel and Zinc were investigated; however no results were obtained for Cadmium. All heavy metals and organic trace substances were combined to create a single liquid phase multi-concentration mixture that was used throughout the experiments. The adsorption patterns of the studied substances were measured in response to four different variables and in three different sediments. The Henry, Freundlich and Langmuir isotherms were modelled using the data from these experiments and a linear regression was calculated. The results provided information on the adsorption strength, and were used to calculate the KH-value and KF -values. The maximal loading rates of the sediments were calculated in the form of the qm-values. The results demonstrate that among all the studied organic trace substances, PFOS and PFOA have the highest KH-value. In the case of the heavy metals, the highest KH-value was found for Zinc. Following the Freundlich method, Acesulfame was the organic trace substance with the highest KF -value, while Zinc was the heavy metal with the highest KF . With regards to the maximum loading sediment rate, Carbamazepine and Diclofenac were the organic trace substances with the highest values while Copper had the highest value among the heavy metals. The adsorption rates between different sediments were significantly different. Additionally, in a few cases there was a direct correlation between the tested variables and the adsorption rates. Organic trace substances had a stronger adsorption on sediments containing a higher percentage of organic substances. There was no correlation between log Kow value and adsorption rates. The experiments show that it is possible for sediments from lake Neusiedl to remove up to 100 % of the substances by adsorption. The results show that the sediment of lake Neusiedl can still adsorb substances from the water and has not reached saturation yet.