Zugl.: Karlsruhe, Universiẗat, Diss., 2007.

Starke Niederschläge im Sommer 2010 führten in Sachsen nicht nur zu regional bedeutsamen Hochwassern, sondern auch zu flächendeckend stark erhöhten Grundwasserständen. Der Bericht dokumentiert die Analyse der Grundhochwassersituation im Winter 2010 bis zum Frühjahr 2011 für den Freistaat Sachsen. Dabei wurden neben Niederschlags-, Abfluss- und Temperaturdaten auch Ganglinien von 126 weitgehend anthropogen unbeeinflussten Grundwassermessstellen des staatlichen Messnetzes statistisch ausgewertet. Mit Hilfe hydrogeologischer Karten wurden regionale Besonderheiten und der Einfluss von Braunkohlenbergbau und Wasserschutzgebieten betrachtet. Die daraus abgeleiteten Grundwasserstandsentwicklungstypen konnten hydrogeologischen Teilräumen zugeordnet werden.

Am Beispiel einer realen, gealterten Bodenprobe eines ehemaligen Schwelereistandortes wurde die Schadstoffentfernung mit nahe- und überkritischem Wasser untersucht. In einer umgebauten Nassoxidationsanlage wurden die Untersuchungen zur Extraktion der Proben mit Wasser bei 300°C, 340°C und 400°C sowie bei Volumenströmen des Extraktionsmittels von 5, 10 und 15 ml/min durchgeführt. Es zeigte sich, dass höhere Extraktionstemperaturen und größere Strömungsgeschwindigkeiten zur besseren Reinigung der Proben führten. Mit überkritischem Wasser konnte insbesondere für die gewählten Modellsubstanzen bis zu 50 % mehr Substanz aus dem Boden herausgewaschen werden als mit der herkömmlichen Lösemittelextraktion, die als Vergleichsextraktion herangezogen wurde. Durch die Zugabe eines Oxidationsmittels zum überkritischen Wasser konnten die Schadstoffe direkt an der Bodenmatrix zerstört werden. Ein zweifelsfreier Einfluss z.B. der Korngröße auf den Extraktionserfolg war nicht erkennbar.

Bis zu 95 % der Wirkstoffe von Arzneimittel der Humanmedizin werden unverändert ausgeschieden oder gelangen über die täglichen Hygiene in den Wasserkreislauf. Die meisten Substanzen werden sehr schnell und vollständig abgebaut oder liegen in Konzentrationen vor, in denen sie keine Gefährdung für die Umwelt und den Menschen darstellen. Im Gegensatz dazu gibt es aber auch Substanzen, die nur sehr schwer abgebaut werden können (persistent sind) und für die bereits negative Langzeiteffekte in umweltrelevanten Konzentrationen für Tiere nachgewiesen wurden. Ein Beispiel dafür ist der schmerzstillende Wirkstoff Diclofenac. Aus diesem Grund und wegen der guten Kenntnislage hinsichtlich Vorkommen, Abbauprodukte und Analytik wurde Diclofenac als Referenzverbindung für die Experimente im Rahmen dieses Projekts verwendet. Aufgrund der geringen Konzentration von Diclofenac in Wasser und der chemischen Stabilität von Diclofenac sowie einiger anderer Spurenstoffe sind herkömmliche Wasserbehandlungsverfahren, wie sie derzeit in Kläranlangen verwendet werden, ineffizient oder zu teuer. Deshalb gibt es zahlreiche Bemühungen, alternative und umweltschonende Behandlungsverfahren zur Entfernung von Arzneimittelrückständen aus Wasser zu entwickeln, die einen vollständigen Abbau der Rückstände ermöglichen. Idealerweise sollten technische Lösungen zur Verfügung stehen, die gegebenenfalls in jedem Land der Erde einsetzbar wären. Der in diesem Projekt verfolgte Ansatz zur Entwicklung fotokatalytischer Schichten, die idealerweise bereits bei Tageslicht eine ausreichend hohe Aktivität aufweisen, ist besonders interessant, da es nach Optimierung weder des zusätzlichen Einsatzes von Chemikalien noch des Einsatzes von Energie bedarf. So werden durch die Bestrahlung des Katalysators (z.B. ZnO, TiO2) mit künstlichem UV-Licht, perspektifisch aber mit UV-A-Strahlung der Sonne sowohl Wasser als auch Luftsauerstoff zu reaktiven Hydroxylradikalen umgesetzt, die letztendlich die unspezifischen Spaltung organischer Verbindungen im Wasser bewirken. Voraussetzung für die Optimierung hinsichtlich katalytischer Aktivität und Empfindlichkeit gegenüber Tageslicht ist ein Herstellungsverfahren, das die Optimierung der fotokatalytischen Schichten bezüglich verschiedener Parameter (optimale Größe, enge Größenverteilung, Möglichkeit der einfachen Dotierung, Verhinderung der Agglomeration bei gleichzeitiger dauerhafter Immobilisierung) erlaubt. Diesbezüglich besonders aussichtsreich ist die Verwendung von hoch geordneten bakteriellen Hüllproteinen sogenannten „surface-layer“ (S-Layer)-Proteinen, die sowohl eine einfache Herstellung von fotokatalytisch aktiven Nanopartikeln aus verschiedenen Elementen erlauben, als auch zur Beschichtung verschiedener Materialien geeignet sind. Ein Ziel im Projekt ist die Herstellung von reinen und dotierten ZnO und TiO2-Nanopartikeln zur Eliminierung von Diclofenac aus Wasser (siehe Abbildung 1). Dabei dienen S-Layer verschiedener Bakterien und damit Proteinschichten mit unterschiedlichen Symmetrien, Gitterabständen und Porengröße als Template für die Herstellung von Nanopartikeln verschiedener aber definierter Größe. Darüber hinaus werden die S-Layer im Projekt als Trenn- und Immobilisierungsschicht für die erzeugten Nanopartikel genutzt. Letzteres vor allem zur Verhinderung einer Agglomeration und des Austrags der Nanopartikel, was beides einen Verlust der katalytischen Aktivität entsprechender Schichten bedeuten würde. Als Träger werden im Rahmen des Projekts verschiedene in technischen Anwendungen genutzte Materialien dahin gehend überprüft, in wie weit sich S-Layer darauf abscheiden lassen und stabile Schichten ausbilden und darauf aufbauend ein Trägermaterial für die Herstellung fotokatalytisch aktiver Beschichtungen ausgewählt. Gleichzeitig war es Ziel des Projektes, die Biomassegewinnung hinsichtlich eines Upscalings und hinsichtlich der Kosten zu optimieren. Ausgehend von dieser konkreten wissenschaftlichen Fragestellung war es auch Ziel des Projektes, ein verwertungsorientiertes Netzwerk aufzubauen. Dies vor allem zur Sicherung der Fortentwicklung der neuen Materialien und der Weiterführung der begonnenen Arbeiten in dem konkreten Forschungsgebiet mit dem Ziel der Entwicklung eines marktreifen Produktes aber auch zur Etablierung einer dauerhaften Kooperation zwischen den verschiedenen Forschungs- und Industriepartnern. Diese Ziele sollten insbesondere über eine Vernetzung von Instituten innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft, weiteren regionalen und überregionalen Forschungseinrichtungen sowie Industriepartnern erreicht werden. Die sehr gute gerätetechnische Ausstattung, die im vorliegenden Fall über die Projektmittel erreicht wurde, war nicht nur Voraussetzung zur Durchführung der geplanten Forschungs- und Entwicklungsarbeiten und zur Herstellung von Materialien im kleintechnischen Maßstab, sondern erhöhte auch die Attraktivität des Teams als Projektpartner weiter und nachhaltig. Erfahrungen aus dem Projekt und dem Prozess der Netzwerkbildung sollen insbesondere unter Einbeziehung der Geschäftsstelle der Leibniz-Gemeinschaft zur Entwicklung eines Prozessleitfadens für die Bildung von Verwertungs- und Transfernetzwerken innerhalb der Leibniz-Gemeinschaft genutzt werden.

Zugl.: Karlsruhe, Univ., Diss., 2009 / Hergestellt on demand. - Zusätzliches Online-Angebot unter http://uvka.ubka.uni-karlsruhe.de/shop/isbn/978-3-86644-407-2

Thesis (doctoral)--Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 1994.

Thesis (doctoral)--University Fridericiana Karlsruhe, 2002.

Um statistische Zusammenhänge zwischen Lufttemperatur und Wassertemperatur zu analysieren, wurden zunächst in einer Vorstudie alle kurzfristig verfügbaren Temperaturmessungen in Oberflächengewässern sowie im Boden-, Sicker- und Grundwasser gesammelt, fehlerbereinigt und in Datenbanken zusammengeführt. Die erzeugten 600.000 Datensätze können direkt mit Daten zu Lufttemperatur, Sonnenscheindauer oder globaler Strahlung aus naheliegenden Wetterstationen verknüpft und somit für künftige Auswertungen genutzt werden. Die Prüfung unterschiedlicher Wassertemperaturmodelle hat gezeigt, dass sich für eine sachsenweite Analyse zur Abschätzung der Auswirkung des Klimawandels auf Wassertemperaturen die einfacheren statistischen Methoden aufgrund ihrer Datenverfügbarkeit eher eignen als die fachlich genauer erscheinenden komplexen Modelle mit Berechnungen zu Energiehaushalt und Wärmeaustausch von Gewässern. In Heft 40/2011 der Schriftenreihe werden die Zusammenhänge der klimawandelbedingten Lufttemperaturänderungen auf die Wassertemperaturen analysiert und detailliert dargestellt.

Die Auswertung der statistischen Zusammenhänge zwischen Lufttemperatur und den Temperaturen der Fließgewässer lässt zukünftig einen signifikanten Anstieg der Wassertemperaturen aufgrund des projizierten Klimawandels erwarten. In den Unterläufen der Flüsse zeigt die statistische Auswertung eine 1:1-Beziehung der Temperaturen an. Die Veränderung der mittleren Lufttemperatur um 1 Kelvin hat eine Veränderung der Wassertemperatur um 1 Kelvin zur Folge. Die Oberläufe der Bäche in Quellnähe oder in höheren Lagen werden aufgrund des größeren Grundwassereinflusses voraussichtlich eine geringere Temperaturveränderung in Relation zur Lufttemperaturveränderung erfahren. Alle übrigen Fließgewässerabschnitte liegen hinsichtlich der Temperaturdynamik und Temperaturveränderung zwischen den beiden genannten Grenzfällen ohne auffällige regionale Unterschiede.

Entwickelt wurde eine Konzeption zur Erstellung und Pilotanwendung eines gekoppelten Modellsystems für Sicker- und Grundwasser (ReArMo), das die prognostische Abschätzung künftiger Entwicklungen des Grundwassers nach Menge und Beschaffenheit unter geänderten Randbedingungen (Klima, Landnutzung, Bewirtschaftung) zum Ziel hat. Ein weiteres Ziel dieser Modellkopplung besteht in der Optimierung der Stickstoffdüngung bei relevanten landwirtschaftlichen Betrieben. Die zu betrachtenden Prozesse in der wechselfeuchten Bodenzone und im Grundwasser werden gemäß dem aktuellen Stand der Technik physikalisch fundiert erfasst.