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4 Schadstofffreisetzung bei
erhöhten Temperaturen
4.1 Einleitung
Viele physikalische und chemische Prozesse
werden von der Temperatur stark beeinflusst.
Ein endothermer Prozess nimmt bei konstantem
Druck (P) und konstantem Volumen (V)
Wärme (Energie) aus der Umgebung auf. Ein
exothermer Prozess hingegen gibt unter denselben
Bedingungen Wärme an die Umgebung
ab. Die PAK sind im Wasser schwer löslich
und benötigen daher Energie, um in Lösung zu
gehen bzw. um aus einer organischen Matrix
ins Wasser zu desorbieren.
Bei höheren Temperaturen verschiebt sich für
PAK das Gleichgewicht in Richtung des
Wassers und somit steigt die Konzentration im
Eluat an. Zudem wird die Desorptionskinetik
schneller, so dass die Gleichgewichtseinstellung
rascher abläuft (Cornelissen et al.,
1997). Es ist bei Kenntnis thermodynamischer
Kennwerte möglich, Versuchsergebnisse bei
höheren Temperaturen auf niedrigere Temperaturen
(z. B. Feldbedingungen) zu extrapolieren.
Es wurden statische Elutionsversuche bei
unterschiedlichen Temperaturen mit der ASE
an allen Abfall- und Recyclingmaterialien
durchgeführt und die jeweiligen Gleichgewichtskonzentrationen
bestimmt. Mit einer
Van´t-Hoff-Gleichung war es möglich, mittels
einer Regression der Datenpunkte die Enthalpien
für die PAK-Desorption zu bestimmen.
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4.2 Theoretische Grundlagen
4.2.1 Einfluss von Temperatur und
Druck auf Wasser
Die Temperatur übt einen großen Einfluss auf
die chemisch-physikalischen Eigenschaften
von Wasser aus. Je nach Druck und Temperatur
wird das Wasser zwischen 25 °C und
374 °C und Drücken größer als 2 bar als
„subcritical“ und bei über 374 °C und 72 bar
als „supercritical“ bezeichnet.
Ein wichtiger Parameter für die Löslichkeit
von Stoffen ist die Polarität des Wassers. Da
Wasser unter normalen Bedingungen stark
polar ist, lösen sich die unpolaren, hydrophoben
PAK relativ schlecht in Wasser. Die
Polarität wiederum ist eine Funktion der
Dielektrizitätskonstante [-]. Bei einer Raumtemperatur
von 20 °C hat die Dielektrizitätskonstante
für Wasser einen Wert von
79,55. Mit steigenden Temperaturen nimmt sie
nahezu linear ab und beträgt bei 100 °C nur
noch 56,7. Durch Verändern der Temperatur
bei genügendem Druck, um den flüssigen
Zustand zu erhalten, kann die Polarität stark
verändert werden. Das Wasser kann dadurch
zum Lösemittel für unpolare Substanzen werden
(McGowin, 2001; Smith, 2002; Ramos et
al., 2002). Bei 250 °C z. B. hat Wasser dieselbe
Polarität wie Methanol (Andersson et al.,
2002).
Zusätzlich wird die Viskosität des Wassers bei
höheren Temperaturen kleiner, wodurch der
Stoffübergang im Wasser schneller wird, und
es somit zu einer schnelleren Gleichgewichtseinstellung
kommt. Zusätzlich wird die Oberflächenspannung
des Wassers geringer, was zu
einer besseren Benetzung einer Probe führt und
daher ebenso zu einer schnelleren Gleichgewichtseinstellung
führt.
In Abb. 4-1 sind die Temperaturabhängigkeiten
der Dielektrizitätskonstanten, der dynamischen
Viskosität und der Oberflächenspannung
des Wassers zusammengefasst.