Diplomarbeit - OPUS Bayreuth - Universität Bayreuth

3.4. SÄULENEXPERIMENTE
Um für Säulenexperimente zeitlich hochaufgelöste Durchbruchskurven (DBK) aufnehmen
zu können und den Experimentablauf zu variieren, schlägt Totsche [1998] folgenden
Aufbau vor: Ein Fraktionssammler fängt das Säuleneluat auf. Pumpe und Fraktionssammler
werden über eine Steuereinheit von einem Computer gesteuert, der gleichzeitig
Meßdaten aufzeichnen kann. Innerhalb eines Experimentes lassen sich zum Beispiel die
Zusammensetzung der Perkolationslösung, Temperatur oder Fließgeschwindigkeit ändern.
Als besonders vielversprechend zur Abschätzung des immobilen bzw. an Wechselwirkungen
unbeteiligten Porenwasseranteils beschreibt Totsche [1998] geschlossene Kreislaufexperimente.
Bei derartigen geschlossenen Systemen ist eine zerstörungsfreie und den Experimentablauf
nicht beeinflussende online-Analytik erforderlich. Studien zum PAK-Transport
mit geschlossenen Kreislaufexperimenten sind wegen der Anforderungen an die Analytik
nur schwer durchführbar.
3.4.2 Identifizierung ratenlimitierter Stoffreisetzung
Wichtig für alle Wechselwirkungen zwischen mobiler (Wasser) und immobiler Phase (Boden)
ist die Aufenthaltsdauer oder Verweilzeit des Wassers. Chemische Reaktionen und
Prozesse wie Diffusion oder Sorption sind zeitabhängig. Ist die Verweilzeit des Wassers
kürzer als die Reaktionszeit, kann die Reaktion bzw. der Prozeß nicht vollständig ablaufen,
es kann sich kein Gleichgewicht einstellen. Das Verhältnis von Reaktionszeitskala zu
Transportzeitskala kann durch die von [Michalak und Kitanidis 2000, zit. in Wehrer und
Totsche, 2003] eingeführte Damköhlerzahl beschrieben werden. Nach Wehrer und Totsche
[2003] kann sie als Maß zur Optimierung von Säulenversuchen dienen.
Da = LRk
v
Da: Damköhlerzahl [−]
L: Säulenlänge [L]
R: Retardationskoeffizient [−]
k: Ratenparameter der Reaktion [T −1 ]
v: Fließgeschwindigkeit (Abstandsgeschwindigkeit) im System [L T −1 ]
(3.5)
Brusseau et al. [1997] zeigten, daß Flußunterbrechungen zur Identifizierung von Ratenlimitierung
bei der Stoffreisetzung beitragen können. Anhand numerischer Simulationen
schlagen Wehrer und Totsche [2003] folgendes Experimentdesign zur Detektion von ratenlimitierter
Freisetzung vor: Säulenexperimente mit mindestens 2 Parallelversuchen, wobei
sich die Fließgeschwindigkeiten um den Faktor zehn unterscheiden sollen. Zudem sollte
pro Fließgeschwindigkeit mindestens eine Flußunterbrechung erfolgen, sowie Messung der
Effluentkonzentrationen direkt vor und nach der Flußunterbrechung. Bei ratenlimitierter
Desorption von der Säulenfüllung sind nach einer Flußunterbrechung höhere Effluentkonzentrationen
als vor der Flußunterbrechung zu erwarten, der Unterschied ist bei hohen
Fließgeschwindigkeiten größer. Um Verfälschung der DBK durch Diffusion zu vermeiden,
darf die Fließgeschwindigkeit nicht zu gering sein und die Flußunterbrechung nicht zu lange
dauern. Möglich ist eine Vortäuschung ratenlimitierter Freisetzung durch Vorhandensein
nicht am Transport beteiligter Regionen des Porenraumes (immobiles Wasser, 2-Regionen-
System). Durch Aufnahme von DBK eines konservativen Tracers im Säulenversuch mit
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