Sorptions- und Desorptionsverhalten von ausgewählten polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) im Grundwasserbereich

Abstract

Den polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) kommt bei Schadensfällen bzw. Altlasten von Kokereien oder ehemaligen Gaswerken eine besondere Bedeutung zu, da sie zu den Hauptinhaltsstoffen von Teerölen gehören. Zudem weisen viele PAK toxische, karzinogene, mutagene und teratogene Eigenschaften auf. Wichtige Faktoren für die Ausbreitung der PAK in der wassergesättigten Bodenzone sind deren Sorptions- und Desorptionsverhalten. Dieses Verhalten hängt von sehr unterschiedlichen schadstoff- und bodenspezifischen Parametern ab. Die Sorption der PAK ist konzentrationsabhängig und damit nicht über alle Konzentrationsbereiche linear. Bis ca. fünf Prozent der Wasserlöslichkeit des jeweiligen PAK laßt sich die Verteilung der PAK zwischen der festen und der flüssigen Phase mit einem linearen Verteilungskoeffizienten (Kd) beschreiben. Danach nimmt unter statischen Bedingungen die Sorptionsneigung zunächst stark ab, bis die PAK ab 40 - 60% der Wasserlöslichkeit schließlich wieder verstärkt vom Boden festgehalten werden, wo sie in einer Art kristalliner Form vorliegen. Dieser Bereich läßt sich nur mit nichtlinearen Sorptionsmodellen, wie z.B. dem BET-Modell, beschreiben. Die Sorption der PAK ist zum größten Teil abhängig vom Gehalt an organischem Material. Die Art der organischen Substanz beeinfiußt das Sorptionsverhalten, so daß junges (rezentes) organisches Material weniger sorbiert als altes (fossiles). Mit steigendem Oktanol/Wasser-Verteilungskoeffizienten(Kow)des PAK nimmt dieser Einfluß ab. Die spezifische Oberfläche hat bei der Sorption nur bei extrem geringen Gehalten an organischer Materie einen meßbaren Einfluß, der mit steigendem zunimmt (hydrophobe Sorption). Die Zeit zur Einstellung des Sorptionsgleicligewichts ist bei PAK länger als bisher angenommen. Sie wird stark beeinflußt von der Art und Weise, wie das Bodenmaterial und die organische Substanz vorliegen. Böden mit mikroporösen Aggregaten und viel organischer Substanz (hohe Sorptionskapazität) benötigen wesentlich längere Zeiträume ah kiesiges, sandiges Material mit sehr wenig organischer Substanz (geringe Sorptionskapazität). Die Zeit zur Gleichgewichtseinstellung wird dabei durch diffusive Prozesse in das Bodenmaterial bestimmt. Ein hoher Zeitbedarf für die Gleichgewichtseinstellung bei der Sorption bedingt umgekehrt auch lange Zeiten für die Desorption. Eine kurze Desorptionsphase kann somit dazu führen, daß nur geringe PAK-Anteile wieder in die flüssige Phase übertreten. Solche Ungleichgewichtsbedingungen bei der Desorption werden dokumentiert durch eine rasche Abnahme der PAK-Konzentration in der flüssigen Phase, bei geringer Abnahme der PAK-Konzentration an der festen Phase. Dies kann sich auf die Effizienz von Sanierungen stark negativ auswirken.

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) are of particular interest in hazardous waste sites produced by coking plants or former gas works because they are the main constituent of tar oils. In addition, they are considered toxic, carcinogenic, mutagenic and teratogenic. Important factors controlling the transport of PAH in the saturated zone are their sorption and desorption behaviour. This, in turn, depends on various contaminant characteristics and subsoil specific parameters. Sorption of PAH depends on their concentration and does not show a linear relationship throughout the concentration ranges. The distribution of PAH between the solid and the liquid phase can be described by a linear distribution coefficient (Kd) for up to approximately 5% of the solubility of respective PAH. With time and under static conditions the sorption tendency decreases. After the PAH attain 40 - 60% of their solubility in water they are increasingly adsorbed by the soil, where they exist in a kind of crystalline form. Behaviour of PAH in this solubility range can only be described by non-linear sorption models, e.g. the BET-model. The sorption of PAH is for the most part dependent on the amount of organic material present in soils. The type of organic matter has an influence on the sorption behaviour: young (recent) organic material adsorbs less than older organic material. This influence decreases with an increase in the octanol/water distribution coefficient (Kow) of the PAH. The specific surface only has a detectable influence on the sorption in soils with an extremely low amount of organic matter, however, this increases with an increase of Kow (hydrophobic sorption). The time needed to adjust to the sorption equilibrium is longer for PAH than assumed up to now. It is affected by the type and manner in which the soil and organic material are present. Soils with microporous aggregates and abundant organic matter (high sorption capacity) need considerably longer to reach equilibrium than gravel or sandy material with a slight organic content (low sorption capacity). The time required to obtain equilibrium is determined by diffusive processes in the soil. The large amount of time needed to acquire sorption equilibrium stipulates the long time required for desorption. A short desorption period thus leads to only a small amount of PAH transfer to the liquid phase again. Such non-equilibrium conditions during desorption are documented by a rapid decrease in PAH concentration in the liquid phase and a small decrease of PAH concentration in the solid phase. This can negatively affect the efficiency of remediations.