Modul Umwelt- und Radiochemie
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Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) Die folgenden Ausführungen sollen den an diesem Modul interessierten Studenten/Innen der Technischen Universität Dresden zur Grundinformation dienen. Weitere Nachfragen bitte an: Prof. Dr. rer. nat. habil. Gert Bernhard Professur Radiochemie E-mail: [email protected] Dresden, 11. August 2009 Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) Inhalt: ist die Vermittlung umweltchemischer Kenntnisse im Zusammenhang mit der Produktion und dem Eintrag von Umweltchemikalien, der Erzeugung von Energie und der Wirkung ionisierender Strahlung. Grundlegende Aspekte der Umweltchemie von Metallen und Organika, die Chemie von radioaktiven Schwermetallen im Kernbrennstoffzyklus und die Nutzung und Wirkung von ionisierender Strahlung gehören zum Lehrinhalt. Es werden die Grenzflächenphänomene beim Stoffübergang vom Geo- in das Bio-System aufgezeigt und die Bestimmung der Bindungsform und deren Lokalisation in diesen Systemen soll im spurenanalytischen Konzentrationsbereich erlernt werden. Kompetenzen zum Umgang mit offenen radioaktiven Stoffen werden vermittelt. Ziel: ist es, die Studierenden in die Lage zu versetzen, die in der Umwelt ablaufenden Grundprozesse und deren Änderung durch die Produktion von unterschiedlichsten Stoffen, der Art der Energieerzeugung und des Strahlungseintrags kritisch hinterfragen zu können und die Auswirkungen auf Luft, Wasser, Boden, die Biota und den menschlichen Organismus vor dem Hintergrund aktuellster wissenschaftlicher Erkenntnisse bewerten zu können. Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) Organisatorisches: Wahlpflichtbereich: Wahlpflichtmodul im Wahlpflichtbereich „Biologisch-orientierte Chemie (BOC)“ Voraussetzung: Abgeschlossenes Bachelor - Studium Lehrform: Vorlesung Seminare Praktikum (4 Tage Blockpraktikum im Institut für Radiochemie des Forschungszentrums Dresden - Rossendorf ) Zeit: Sommersemester (ab 2009) Abschluss: 5 Leistungspunkte (5 CP) Klausurarbeit (0,75) Praktikum (0,25) Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) Vorlesungen: 1. Umweltchemie (UC), Prof. Dr. Gert Bernhard 2. Radiochemie (RC), Prof. Dr. Gert Bernhard Professur Radiochemie Sommersemester 2010 Vorlesung: Umweltchemie Gliederung: 0 0.1 0.2 Einleitung Vorbemerkungen Definition Umweltchemie 1 1.1 1.2 1.3 1.3.1 1.3.2 1.4 Entstehung der Umwelt Bildung der Elemente Aufbau der Erde Entstehung und Aufbau der Atmosphäre Bildung des atmosphärischen Sauerstoffs Photosynthese, Atmung, Gärung Natursynthese von Stoffen (Miller' sches Experiment) 2 2.1 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.5 Umweltkompartiment Luft Funktion der Atmosphäre Zusammensetzung der Luft Chemie der Atmosphäre Treibhauseffekt Ozon Spurengase und Fluorchlorkohlenwasserstoffe Luftreinhaltung – Emissionssenkung Rauchgasentschwefelung Abgasreinigung durch Katalysator Klimawandel 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.4.1 3.4.2 3.5 Umweltkompartiment Wasser Wasserressourcen Bedeutung und Funktion Trinkwasseraufbereitung und Qualität Belastung des Wassers Anorganika Organika Abwasserreinigung 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.4.1 4.4.2 4.4.3 Umweltkompartiment Boden Bestandteile des Bodens Verwitterungsprozesse Huminstoffe Bodenkontaminationen Einträge in Böden Reinigung von Böden Sanierung kontaminierter Gebiete 5. 5.1 5.2 5.2.1 5.2.2 5.2.3 5.3 5.3.1 5.3.2 Stoffe in der Umwelt Risiko, Grenzwerte, Stabilitätskriterien Umweltschadstoffe Beispiele Eigenschaften Wirkung, Bewertung Stoffeintrag und Transport Stoffkreisläufe Natürlicher Abbau von Chemikalien 6 6.1 6.2 6.3 6.4 Schwermetalle und Biosysteme Nahrungspfad Aufnahme in Organismus Transfer in Pflanzen Wechselwirkung mit Bakterien 7. 7.1 7.2 7.2.1 7.2.2 7.3 Umweltanalytik Grundlage des Umweltschutzes Messtechnische Schwerpunkte Umweltanalytischer Prozess Vor-Ort-Analytik Arbeitsschritte der Analyse Schadstoffanalytik (Beispiele) 8 8.1 8.2 Umweltauswirkungen bei Stoffgewinnung Abbau, Transport von Stoffen Chemische Unfälle 9 9.1 9.2 9.3 9.4 Entsorgung Recycling Deponie Müllverbrennung Vergärung 10. 10.1 10.2 10.3 Umweltrecht und umweltbezogenes Handeln Einfluss des Gesetzgebers Wirkung von Umweltschutzzielen auf die Stoffproduktion Persönlicher Einfluss Professur Radiochemie Sommersemester 2010 Vorlesung: Radiochemie Gliederung: 0 Einleitung 0.1 Literatur 0.2 Definitionen, Themen 1 Radioaktivität in der Natur 1.1 Entdeckung der Radioaktivität 1.2 Periodensystem, Nuklidkarte, Kernaufbau, Kernstabilität 1.3 Umwandlungsgesetz, Gleichgewichte 1.4 Kernumwandlungen, Strahlungsarten, Kernreaktionen 1.5 Umweltradioaktivität 2 2.1 2.2 2.3 2.4 Strahlenschutz und Dosimetrie Strahlung und Risiko Gesetzliche Grundlagen des Strahlenschutzes Wechselwirkung Strahlung - Materie Dosimetrie, Strahlungsmessung, Spektrometrie 3 Analytik und Chemie radioaktiver Elemente und Isotope 3.1 Altersdatierung (14C-Methode) 3.2 Neutronenaktivierungsanalyse 3.3 Isotopenverdünnungsanalyse 3.4 Tracertechnik und Markierung 3.5 Strahlenchemie 3.6 Actinidenchemie 4 Radiochemie und Kerntechnik 4.1 Reaktoren 4.2 Beschleuniger 4.3 Bombe 5 5.1 5.2 5.3 5.4 Radionuklidproduktion Grundlagen Herstellung von Molybdän-99/Technetium-99m-Generatoren Anwendungen von Radionukliden Synthese künstlicher Elemente 6 6.1 6.2 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 Nukleare Entsorgung Kernenergie und „Ausstiegsszenario“ Radioaktiver Abfall und Abbau von Kernanlagen Kernbrennstoffkreislauf Urangewinnung Herstellung und Wiederaufarbeitung der Brennelemente Zwischen- und Endlagerung nuklearer Abfälle - Beispiel für Folien zu den beiden Vorlesungen: (willkürliche Auswahl…) Hauptkomponenten der Umwelt - belebte Natur - unbelebte Natur Luft Menschen Tiere Pflanzen Wasser Boden Schadstoffbelastungen Risiko (ursprünglich Begriff aus dem Versicherungswesen) - Eintretenswahrscheinlichkeit eines Schadensfalles - Risikoabschätzung Quantitative Bestimmung der möglichen Gesundheitsgefährdung durch Chemikalien, Strahlung, Umwelteinflüsse u.a., auch Schadwirkungen auf das Ökosystem Nahrungskette Mensch Fleisch Milch Haustiere Früchte Getreide Brot Transport Aquifer Oberflächenwässer Pflanze Wasser Boden Chemie des Schwermetalls Chemikalien in der Umwelt Bodenbestandteile Bakterien – Extremisten des Lebens „Extremophile“ Hitze, Kälte, Bakterien: radioaktive Strahlung, extrem acidophil, alkalophil, hohe Ionenstärke Pyrolobus fumari Deinococcus radiodurans, Picrophilus torridus Haloferx volcanii in Kaminen > 100oC Strahlendosis >18.000 Gray Entdeckung bei Fleischbestrahlung in japanischen Mount-Yo Vulkan niedrigste pH-Werte, 65oC erzeugen im Inneren höhere Salzkonzentration als außerhalb Quelle der Bilder www. - Optimierung und Anpassung bakterieller Lebensprozesse an extreme Umweltbedingungen Wechselwirkung Metall - Bakterien Biosorption Bioakkumulation Biomineralisation Komplexbildung mit zellulären Liganden zelluläre Metallaufnahme Bildung von Präzipitaten Me2+ (out) Me2++ 2L- = MeL2 Me2+ + 2OH- = Me(OH)2 Me2+ + S2- = MeS Me2+ + HPO42- = MeHPO4 Me2+ (in) Bakterienzelle MeO22+ = MeO2 Me(VI) = Me(IV,III) Me2+ Biotransformation Mikrobiell gesteigerte Chemisorption Reduktionsprozess Einbau von Metallen in gebildete Präzipitate Ozon in der Atmosphäre Stratosphäre Ozonschicht („Gutes Ozon“) um 25 km ca. 10 km Ozonverunreinigung Troposphäre („Schlechtes Ozon“) Nomenklatur Dioxine, Furane 2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin - TCDD 2,3,7,8-Tetrachlordibenzofuran - TCDF Nuklidkarte Z Z = Protonenzahl N = Neutronenzahl (N = A - Z) N Strahlungsquellen in der Umwelt * Natürliche Strahlung - Strahlung aus dem Weltall kosmische Strahlung, Höhenstrahlung (überwiegend aus energiereichen Protonen, Heliumkernen, Kernreaktionen mit Atomen der äußeren Schicht unserer Atmosphäre) - Terrestrische Strahlung Strahlung resultierend aus Radionukliden der Zerfallsreihen, primordiale Radionuklide * Künstliche (Zivilisationsbedingte) Strahlung Industrieprodukte, Röntgendiagnostik/Nuklearmedizin, Kernwaffentests, Kernenergiegewinnung Nuclear Fuel Cycle Uranium mine Processing Raffination Ore Ore concentrate Fabrication fuel elements Enrichment uranium Nuclear power plant Fuel element U Waste depleted uranium U Pu Minor actinides Conversion U Intermediate storage fuel elements Reprocessing plant Conditioning fuel elements Conditioning waste Waste Intermediate storage waste Final nuclear waste disposal Waste Endlager – Mehrfachbarrierensystem Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) Praktikum 1): Zulassung: bestandene Klausur zur Vorlesung „Umwelt-und Radiochemie“ Durchführung: Blockpraktikum, Arbeit in Gruppen Ort: Institut für Radiochemie, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf, Termin: Beginn und Abschluss im jeweiligen SS, Abstimmung mit den Teilnehmern/Innen Zeitplan: Montag: Einweisung, Vertiefungsseminare zum wissenschaftlichen Hintergrund der Experimentellen Arbeiten, Dienstag bis Donnerstag: (Laborzeiten 08.15 bis 17.00 Uhr) Experimentelle Durchführung Donnerstag nachmittags: Protokollabgabe, Auswertung, Abschluss des Gesamtmoduls Unterlagen: Scripte zu den Seminaren, die Versuchsanleitungen und der Ablaufplan sind über das Netz elektronisch verfügbar 1) Aus den Erfahrungen bei der erstmaligen Durchführung des Praktikums im SS 2009 werden u.a. folgende Änderungen wirksam: Verkürzung des Praktikums um ausgewiesene Stundenzahl einzuhalten, die drei „Einzelversuche“ werden stärker fokussiert und in eine Problemstellung integriert, Ansprechperson (Betreuer/in) wird der jeweiligen Gruppe zugewiesen, kein Eingangstestat, Abschluss des Gesamt-Moduls erfolgt mit Abschluss der Praktikumszeit, keine Nacharbeiten. Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) - Praktikum: Thema: „Verhalten von Schwermetallen, insbesondere Uran in Bio- und Geosystemen“ 1 1.1 1.2 Sorption von Uran an biologischen und mineralischen Systemen Sorption an Quarz und Hämatit Biomasse (Bacillus sphaericus) 2 2.3 Speziationsbestimmung von Actiniden/Lanthaniden mittels Spektroskopie Uran(VI) Speziation mittels ATR FT-IR Spektroskopie Komplexierung von Uran(VI) mit umweltrelevanten Liganden (UV-Vis-Spektroskopie) Speziation von Eu(III) in Biofluiden (Fluoreszenzspektroskopie) 3 3.1 3.2 3.3 Wechselwirkung von Metallen mit Biosystemen /Biota Metalltoleranztest Lochtest Mikroskopische Charakterisierung von Bakterienstämmen 2.1 2.2 Modul Umwelt- und Radiochemie (MA-CH-BOC 07) - Vertiefungsseminare innerhalb des Praktikums: (max. 60 min je Thema) 1 1.1 1.2 Radioaktivität Strahlenschutz und Messung der Radioaktivität 2 2.1 2.2 2.3 Spektroskopie von Schwermetallen Zeitaufgelöste Fluoreszenzspektroskopie Infrarotspektroskopie UV-Vis-Spektroskopie 3 Sorption von Uran an mineralischen und biologischen Oberflächen 4 Wechselwirkung von Metallen mit Biosystemen
