Es wurden Versuche für die ungesättigte Zone duchgeführt, um das Verhalten kleinerer Einträge an Benzen, Toluen und Xylen im Oberboden anschätzen zu können. In einem Vorversuch wurde der Verteilungskoeffizient Gas-Wasser für verschiedene Wässer bestimmt. Der Einfluss der Temperatur hatte einen größeren Einfluss als der Chemismus des Wassers. Die Sorption wurde ermittelt und zeigte sich als ein über sechs Größenordnungen linearer Prozess. Sie ist abhängig vom Humusgehalt. Versuche zur Desorption zeigen Unterschiede zwischen den Aromaten. Xylen desorbiert am langsamsten. Fünf, z.T. mehrmonatige Versuche mit einem großen Laborlysimeter (60 cm Durchmesser, 2 m Länge) zeigten, dass die Korngröße die Diffusion und dichtebedingte Konvektion der gasförmigen Aromaten beeinflusst. Diese Vorgänge sind für den schnellen Transport verantwortlich. Das Sickerwasser bewegt sich deutlich langsamer, transportiert aber die größeren BTX-Mengen. Humushaltige Böden können den Transport in tiefere Bereiche aufgrund von Sorption deutlich reduzieren. Mikrobieller Abbau lässt sich über den Sauerstoffverbrauch nachweisen.

M. Tech. (Chemistry Department, Faculty of Applied and Computer Sciences) Vaal University of Technology. / Benzene, toluene and xylene (BTX) are water pollutants that appear very often in chemical and petrochemical wastewaters due to gasoline leakage from storage tanks and pipelines. These BTX compounds can cause adverse health effects on humans even at very low concentrations. Amongst the available pollutant removal methods from wastewater, adsorption has been used due to its ease of operation, simplicity and cost-effectiveness. Different adsorbents have been used for BTX removal, however the use of Magnetite-organic acid composites as an adsorbent seems to offer a much cheaper alternative. This work seeks to develop a one-step microwave synthesis and optimization of magnetite-oleic (MNP-OA) and magnetite-palmitic (MNP-PA) acid) composites. Response surface methodology was used to optimize the magnetite-organic acid composites. The optimum conditions estimated for MNP-OA acid composite were 78.3 % Fe content, 1561.9 S/cm conductivity, 82.2, 84.1, 85.3 mg/g for BTX adsorption capacity. The MNP-PA composite were 75.6 % Fe content, 1325.66 S/cm conductivity, 60.55, 64.47, 63.06 mg/g for BTX adsorption capacity. The materials were characterized, and the adsorption process was optimized for BTX removal from aqueous solution. X-ray analysis confirmed the formation of magnetite by the presence of both ferric and ferrous ion states on the surface. It was noted that after modification, the magnetite-organic acids characteristics peaks became broad and the height of the peaks decreased indicating that surface modification with organic acid controls the crystallinity of the material. The average cystalline size of MNP, MNP-OA, and MNP-PA composites were 19.7, 17.1 and 17.9 nm. FTIR analysis confirmed the target materials were produced and also to determine if the organic acids were imobilised on the surface of the magnetite. TEM images presented that the MNP, MNP-OA, and MNP-PA composites were spherical in shape with particle average sizes of 18.4 ± 0.5, 15.6 ± 0.5 and 16.5 ± 0.5 nm. The magnetite-organic acids show the particles with better isolated as compared to that of the MNP. The BET isotherms of the materials were described by a type IV characteristic related to uniform mesoporous materials. The magnetic saturation value for MNP, MNP-OA, and MNP-PA composites were 62.9, 59.0 and 51.0 emu/g. The decrease in magnetization was explained by the presence of the non-magnetic layer on magnetite surface. The pHpzc of MNP, MNP-OA, and MNP-PA composites were 6.9, 6.4 and 6.1. The decrease in pHpzc aftern modification was due to the charging acid-base interaction mechanism of metal oxide nanoparticles. The optimum pH for the adsorption of BTX onto MNP, MNP-OA, and MNP-PA composites was determined to be pH 7 for benzene, pH 8 for toluene and xylene. Among the three pollutants, xylene had the highest adsorption capacity followed by toluene and benzene. The optimum adsorbent dose for the adsorbents for the adsorption process was 0.1 g/dm3. The effect of time on the uptake of BTX onto MNP, MNP-OA, and MNP-PA composites show that initial adsorption of BTX occured between 0 and 3 min of contact time. The effect of initial concentration results shows the initial concentration of BTX increases from 100 to 350 mg/dm3 with an increase in adsorption capacity. The results suggest that the adsorption process is controlled by concentration driving force. The experimental data was fitted to the pseudo-first and pseudo-second-order kinetic models for all adsorbents and all pollutants. The pseudo-second-order models showed good correlation as compared to the first-pseudo model. Desorption studies for benzene, toluene and xylene using the pure magnetite, magnetite-palmitic and magnetite oleic acid composites indicate adsorption mrchanism can be explained in relation to acid–base chemistry. Electron donation from the phenyl ring of each benzene, toluene and xylene compound to surface iron atoms of magnetite has been suggested. The CH3OH and H2O desorbing agents were used and regeneration using five cycles show that the percentage desorption decreses from Benzene < Toluene < Xylene. The reduction in adsorption capacity after the cycles are attributed to decomposition of the adsorbents active sites and mass loss of the sample.

Résumé indisponible / This PhD work is dedicated to investigate potentialities of phthalocyanines materials to realize a Quartz Crystal Microbalance (QCM) sensor for Benzene, Toluene and Xylenes (BTX) detection in air. The goal is to develop a sensor-microsystem capable of measuring BTX concentrations quantitatively below the environmental guidelines with sufficient accuracy. To achieve these objectives, our strategies mainly focused on experimental works encompassing sensors realization, sensing material characterizations, development of gas-testing facility and sensor testing for different target gases. One of the main aims is to identify most appropriate phthalocyanine material for sensor development. After comparative sensing studies, tert-butyl-copper phthalocyanine based QCM device is found as most sensitive and detail metrological characteristics are further investigated. Results show repeatable, reversible and high magnitude of response, low response and recovery times, sub-ppm range detection limit, high resolutions and combined selectivity of BTX gases among common atmospheric pollutants. Special focus is given to understand the gas/material interactions which are achieved by (a) XRD and SEM characterizations of sensing layers, (b) formalization of a two-step adsorption model and (c) assessing extent of diffusion of target gas in sensing layer. At last, possible ageing of sensor and suitable storage conditions to prevent such effect are investigated.

Es wurden die mikrobiellen Abbauprozesse an einem Standort mit gaswerkstypischer Schadstoffkontamination, v. a. BTEX und PAK, untersucht. Ziel war es, die relevanten mikrobiologischen Abbauprozesse mit gängigen Analysemethoden zu identifizieren und das Natural Attenuation-Potential zu bewerten. Neben einer Betrachtung der Schadstoffe im Feld wurde ein ausführliches hydrogeochemisches und mikrobiologisches Analyseprogramm durchgeführt. Der Schadstoffabbau wurde in Labor-Mikrokosmen unter für den Standort charakteristischen, überwiegend anaeroben Bedingungen untersucht. Methodik und Umfang der Untersuchungsmethoden wurden im Hinblick auf eine Anwendung an weiteren Standorten bewertet. Die Schadstoffausbreitung in der Fahne, die Keimzahluntersuchungen und eine deutliche Redoxzonierung mit einer Sukzession von Methanogenese, Sulfatreduktion und Fe(III)-Reduktion spiegelten mikrobielle Abbauprozesse wider. Dabei beeinflussten und überlagerten die Prozesse im Schadensherd die Prozesse in der Fahne stark. Die Felddaten gaben Hinweise auf abiotische Sekundärreaktionen zwischen den Redoxpaaren Fe(III)/Fe(II), Sulfat/Sulfid und O2/H2O. Die Berechnung der Assimilativen Kapazität (AC) zeigte ein gutes Angebot an CO2 und Sulfat, während die übrigen TEA Sauerstoff, Nitrat und auch Fe(III) am Standort stark limitiert waren. Dem stand eine von den Redoxbedingungen abhängige, unterschiedlich gute Abbaubarkeit der Modellschadstoffe Benzen, Toluen, Ethylbenzen, Naphthalin, Acenaphthen, Phenanthren und Pyren im Laborversuch gegenüber. Methanogenese wurde in keinem der Versuchsansätze beobachtet. Unter sulfatreduzierenden Bedingungen fand ein Abbau weniger Modellschadstoffe (Toluen, z.T. auch Ethylbenzen und Naphthalin) statt. Mit den TEA Nitrat und insb. Fe(III) erweiterte sich das Abbauspektrum gegenüber sulfatreduzierenden Bedingungen. Mit Sauerstoff fand ein Abbau aller im Grundwasser enthaltenen BTEX und PAK statt. Vor dem Hintergrund der AC und den Ergebnissen der Mikrokosmen bedarf es für einen vollständigen Schadstoffabbau im Feld einer Kombination verschiedener TEA-Prozesse, insb. eines Zusammenwirkens von Fe(III)- und Sulfatreduktion und eines Einflusses von Sauerstoff an den Fahnenrändern. Die unterschiedlichen Abbaumuster bzw. Abbaugeschwindigkeiten in Abhängigkeit der TEA machen das Einbeziehen der Redoxzonierung in eine Modellierung des Standortes erforderlich. Neben den TEA hatte die Verfügbarkeit der Makroelemente Phosphor und Stickstoff sowie von Mikroelementen einen Einfluss auf den Abbau. In den Respirometeruntersuchungen mit hohen Substratkonzentrationen war Phosphat in allen und Ammonium in einem Teil der Grundwässer, in Abhängigkeit von der Entnahmestelle im Feld, limitierend. Bei niedrigen Substratkonzentrationen in den Mikrokosmen trat kein Mangel an N und P auf. In allen Fällen hatte aber eine Zugabe von Mikroelementen einen förderlichen Effekt auf den Abbau. Die Methodik der Standortuntersuchungen folgte dem Prinzip der multiple lines of evidence. Die hydrochemischen Parameter O2, NO3-, Fe2+, Mn2+, SO42-, S2-, CH4, NH4+, PO43 waren geeignet, einen mikrobiellen Abbau und potentielle Limitationen durch Nährstoffe zu zeigen. Ein Vergleich der Ergebnisse der tiefenhorizontierten Beprobung mit einem stärker räumlich integrierenden Ansatz zeigte, dass ohne eine entsprechende räumliche Auflösung die AC überschätzt würde. Die Summenparameter, insb. die Toxizität, lieferten wertvolle Zusatzinformationen über die Gesamtkontamination. Der Abbau der (Modell-)Schadstoffe in den Mikrokosmen ermöglichte eine Einschätzung der generellen Abbaubarkeit der Schadstoffe am Standort, der Einflussparameter auf den Schadstoffabbau sowie möglicher Stimulationsmaßnahmen.

Es wurden die mikrobiellen Abbauprozesse an einem Standort mit gaswerkstypischer Schadstoffkontamination, v. a. BTEX und PAK, untersucht. Ziel war es, die relevanten mikrobiologischen Abbauprozesse mit gängigen Analysemethoden zu identifizieren und das Natural Attenuation-Potential zu bewerten. Neben einer Betrachtung der Schadstoffe im Feld wurde ein ausführliches hydrogeochemisches und mikrobiologisches Analyseprogramm durchgeführt. Der Schadstoffabbau wurde in Labor-Mikrokosmen unter für den Standort charakteristischen, überwiegend anaeroben Bedingungen untersucht. Methodik und Umfang der Untersuchungsmethoden wurden im Hinblick auf eine Anwendung an weiteren Standorten bewertet. Die Schadstoffausbreitung in der Fahne, die Keimzahluntersuchungen und eine deutliche Redoxzonierung mit einer Sukzession von Methanogenese, Sulfatreduktion und Fe(III)-Reduktion spiegelten mikrobielle Abbauprozesse wider. Dabei beeinflussten und überlagerten die Prozesse im Schadensherd die Prozesse in der Fahne stark. Die Felddaten gaben Hinweise auf abiotische Sekundärreaktionen zwischen den Redoxpaaren Fe(III)/Fe(II), Sulfat/Sulfid und O2/H2O. Die Berechnung der Assimilativen Kapazität (AC) zeigte ein gutes Angebot an CO2 und Sulfat, während die übrigen TEA Sauerstoff, Nitrat und auch Fe(III) am Standort stark limitiert waren. Dem stand eine von den Redoxbedingungen abhängige, unterschiedlich gute Abbaubarkeit der Modellschadstoffe Benzen, Toluen, Ethylbenzen, Naphthalin, Acenaphthen, Phenanthren und Pyren im Laborversuch gegenüber. Methanogenese wurde in keinem der Versuchsansätze beobachtet. Unter sulfatreduzierenden Bedingungen fand ein Abbau weniger Modellschadstoffe (Toluen, z.T. auch Ethylbenzen und Naphthalin) statt. Mit den TEA Nitrat und insb. Fe(III) erweiterte sich das Abbauspektrum gegenüber sulfatreduzierenden Bedingungen. Mit Sauerstoff fand ein Abbau aller im Grundwasser enthaltenen BTEX und PAK statt. Vor dem Hintergrund der AC und den Ergebnissen der Mikrokosmen bedarf es für einen vollständigen Schadstoffabbau im Feld einer Kombination verschiedener TEA-Prozesse, insb. eines Zusammenwirkens von Fe(III)- und Sulfatreduktion und eines Einflusses von Sauerstoff an den Fahnenrändern. Die unterschiedlichen Abbaumuster bzw. Abbaugeschwindigkeiten in Abhängigkeit der TEA machen das Einbeziehen der Redoxzonierung in eine Modellierung des Standortes erforderlich. Neben den TEA hatte die Verfügbarkeit der Makroelemente Phosphor und Stickstoff sowie von Mikroelementen einen Einfluss auf den Abbau. In den Respirometeruntersuchungen mit hohen Substratkonzentrationen war Phosphat in allen und Ammonium in einem Teil der Grundwässer, in Abhängigkeit von der Entnahmestelle im Feld, limitierend. Bei niedrigen Substratkonzentrationen in den Mikrokosmen trat kein Mangel an N und P auf. In allen Fällen hatte aber eine Zugabe von Mikroelementen einen förderlichen Effekt auf den Abbau. Die Methodik der Standortuntersuchungen folgte dem Prinzip der multiple lines of evidence. Die hydrochemischen Parameter O2, NO3-, Fe2+, Mn2+, SO42-, S2-, CH4, NH4+, PO43 waren geeignet, einen mikrobiellen Abbau und potentielle Limitationen durch Nährstoffe zu zeigen. Ein Vergleich der Ergebnisse der tiefenhorizontierten Beprobung mit einem stärker räumlich integrierenden Ansatz zeigte, dass ohne eine entsprechende räumliche Auflösung die AC überschätzt würde. Die Summenparameter, insb. die Toxizität, lieferten wertvolle Zusatzinformationen über die Gesamtkontamination. Der Abbau der (Modell-)Schadstoffe in den Mikrokosmen ermöglichte eine Einschätzung der generellen Abbaubarkeit der Schadstoffe am Standort, der Einflussparameter auf den Schadstoffabbau sowie möglicher Stimulationsmaßnahmen.