I.II - IMN/HTWK
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1.2 Herkunft von Wasserinhaltsstoffen • Kationen H+ - in natürlichen Wässern 6,5 < pH < 7,5, c(H+) verursacht durch CO2(aq) und HCO3CO2(aq) + H2O H+ + HCO3- - saure Spurengase SO2, NOx, HCl und H2S aus natürlichen und anthropogenen Quellen, verantwortlich für Säureeintrag in Wasser und Boden SO2(aq) + H2O H+ + HSO3- Stoff Anteil an der Acidität des Niederschlages SO2 83 % NO, NO2 12 % HCl 5% - Erniedrigung des pH-Wertes durch natürliche Fulvosäuren und Huminsäuren in Humus, Torf, Braunkohle Wo steckt die Säure? - Niedriger pH-Wert von Grubenwässern in Erz- und Braunkohlegebieten (s. Eisen) durch Verwitterung von Pyrit und Markasit, vielfach 2,3 < pH < 3,5 ! FeS2 + 3½ O2 + H2O J Fe2+ + 2 H+ + 2 SO422 Fe2+ + ½ O2 + 5 H2O J 2 Fe(OH)3 + 4 H+ Na+ und K+ - Na+-Ionen in der Regel > 50 % der im Wasser vorhandenen Kationen - entstammen Salzlagerstätten und Verwitterungsprodukten der Gesteine J NaCl (Halit) J Kalknatronfeldspat (Plagioklas) J Natronfeldspat NaAlSi3O8 (Albit) - K+-Ionen nur 10 % des Na+-Gehaltes, K+-Ionen werden besser in Böden und Gesteinen gebunden - K+-Ionen aus der Verwitterung von Gesteinen, aus Düngemitteln, Salzfracht der Kaliindustrie J Kalifeldspat KAlSi3O8 (Orthoklas) Kalifeldspat rosa bis gelb Quarz farblos transparent Kalknatronfeldspat weiß bis grau Glimmer schwarz (Biotit) NH4+ - primäres Abbauprodukt organischer Stickstoffverbindungen, z. B. Harnstoff CO(NH2)2 + H2O J CO2 + 2 NH3 und NH3 + H+ NH4+ - Reduktionsprozesse von Nitraten (Denitrifikation) NO3- J NO2- (J N2) J NH3 / NH4+ Ca2+ und Mg2+ - Kohlensäureverwitterung von Carbonatgestein, Lösungsverwitterung von Anhydrit bzw. Gipsstein J CaMg(CO3)2, CaSO4 bzw. CaSO4 ⋅ 2 H2O - Verwitterung von Granit J Kalknatronfeldspat (Plagioklas) bzw. CaAl2Si2O8 (Anorthit) - Mg2+ mit geringerer Konzentration in natürlichen Wässern, c(Ca2+) : c(Mg2+) = 4 bis 5 : 1 aufgrund der geringeren Häufigkeit in Gesteinen Fe(II) / Fe(III)-Ionen bzw. -Verbindungen - in natürlichen Wässern als hellgrünes Fe2+ bzw. [Fe(H2O)6]2+, Pyritoxidation in Tagebaurestlochseen FeS2 + 3½ O2 + H2O J Fe2+ + 2 H+ + 2 SO42- Hydrolyse von FeS2, Fe2O3 oder FeCO3 oder in Grundwässern FeS2 + 2 CO2 + 2 H2O J Fe2+ + 2 HCO3- + H2S + S Tagebausee Lausitz pH-Wert: zwischen 2,3 und 3,5 hohe Konzentrationen an Sulfat- sowie Eisenund Aluminium 2 Fe2+ + ½ O2 + 5 H2O J 2 Fe(OH)3 + 4 H+ Mn(II) / Mn(IV)-Ionen bzw. -Verbindungen - neben Eisen im meisten verbreitet, häufig gemeinsam in der Erdkruste anzutreffen - im Wasser häufig als Mn2+ (neben Fe2+), weniger leicht als Fe2+ oxidierbar - bei geeigneten pH-Werten Oxidation zu dunkelbraunem MnO2 möglich • Anionen Cl- Chloridionen kommen in allen natürlichen Wässern aufgrund der guten Löslichkeit von Alkali- und Erdalkalichloriden vor - Hauptquellen sind insbesondere Salzlagerstätten (NaCl, KCl) und die Gesteinsverwitterung SO42- Sulfationen sind ebenso in allen natürlichen Wässern enthalten - Lösung von natürlichem Gipsstein CaSO4 ⋅ 2 H2O J Ca2+ + SO42- + 2 H2O - Endprodukt der bakteriellen Oxidation schwefelhaltiger organischer Stoffe H2S + O2 J 2 H+ + SO42- oder S + 1½ O2 + H2O J 2 H+ + SO42- NO3- Nitrationen werden hauptsächlich durch aeroben Abbau organischer Stickstoffverbindungen erzeugt (Nitrifikation) J organische Düngemittel, fäkale Verschmutzungen NH3 + 1½ O2 J NO2− + H+ + H2O NO2− + ½ O2 J NO3HCO3- Reaktion von carbonatischen Gesteinen mit gelöstem CO2 CaCO3 + H2O + CO2 Ca2+ + 2 HCO3- • Kieselsäure - Verwitterung von Gesteinen, Bildung kolloider Lösungen Typische Verwitterungsreaktionen von Mineralien J Chemische Verwitterung Mineral Wasser CO2 Kation Anion Kieselsäure Tonmineral Gips / Kalk CaSO4 CaCO3 + H 2O CaCO3 + H 2O + CO2 Ca2+ + SO42- Ca2+ + HCO3- + OH- Ca2+ + 2 HCO3- Quarz SiO2 + 2 H2O + H4SiO4 Feldspat NaAlSi3O8 + 11/2 H2O Na+ + OH- + 2 H4SiO4 + ½Al2Si2O5(OH)4 NaAlSi3O8 + 11/2 H2O + CO2 Na+ + HCO3- + 2 H4SiO4 + ½Al2Si2O5(OH)4 KAlSi3O8 + CO2 K+ + HCO3- + 2 H4SiO4 + ½Al2Si2O5(OH)4 + 11/2 H2O Chemisch-biologische Verwitterung Durch Mikroorganismen, Pflanzen Tiere verursacht und J Speicherung von Feuchtigkeit (Moose) J Mineralisierung von Boden und Gestein durch Säuren, z. B. Huminsäuren infolge Abbau Kohlensäure aus CO2, organische Säuren (Mineralstoffaufnahme über Pflanzenwurzeln) Schwefel- und Salpetersäure (Oxidationsprodukt des Stoffwechsels von Mikroorganismen Niedere Pflanzen (z. B. Flechten) sind in der Lage, den Silikaten unmittelbar Ionen zu entziehen. Steinflechten auf Sandstein • Organische Wasserinhaltsstoffe Huminstoffe schwer abbaubare, hochmolekulare Verbindungen, Bildung beim Abbauprozess von organischem Material, insbesondere in Torf, Moorboden, Braunkohle, humushaltigen Böden Kohlenhydrate, Eiweiße, Aminosäuren, Stoffwechselprodukte von Lebewesen, Verunreinigungen aus Abwässern Fette und Öle, Steroide Verunreinigungen aus Abwässern, Steroid Koprosterin - aus Cholesterin, Indikator für Fäkalien Spurenstoffe - Tenside, Arzneimittel, Riechstoffe aus Abwässern der Haushalte und Industrie, Pflanzenschutzmittel aus der Landwirtschaft - Kohlenwasserstoffe, chlororganische Verbindungen, Phenole u. a. Stoffe aus Industrie, Verkehr, Kraftwerken, Altlasten - Algenbürtige Schadstoffe (Cyanotoxine) aus Cyanobakterien (Blaualgen) • Herkunft der Gase Zusammensetzung trockener Luft und Löslichkeit der Gase in Wasser Gas Anteil in Vol.-% N2 78,08 Vol.-% 0,66 ⋅ 10-3 O2 20,94 Vol.-% 1,26 ⋅ 10-3 Ar 0,93 Vol.-% 1,37 ⋅ 10-3 0,038 Vol.-% 33,9 ⋅ 10-3 CO2 1) K in mol/L ⋅ bar 1) (25 °C) mol mol Henry-Konstanten von Luftgasen in mol = = L ⋅ bar 10 − 3 m3 ⋅ 105 Pa 102 m3 ⋅ Pa Der Stoffaustausch zwischen Wasseroberfläche und Atmosphäre erfolgt durch Diffusion. Deshalb resultieren in ruhendem Wasser sehr lange Reaktionszeiten bis zur Gleichgewichtseinstellung. O2 - Assimilation grüner Pflanzen (auch Wasserpflanzen und Algen) 6 H2O + 6 CO2 + h ⋅ ν C6H12O6 + 6 O2 CO2 - Stoffwechseltätigkeit von Organismen C6H12O6 + 6 O2 6 H2O + 6 CO2 + ∆E - Biochemische Abbauprozesse im aeroben Milieu J Anreicherung von CO2 im Boden - Freisetzung von CO2 aus Carbonaten durch sauren Regen - Aufschmelzen von Carbonaten und Freisetzung von CO2 (Vulkane) - Ozeane als CO2-Speicher (Aufnahme und Abgabe) Spurengase in trockener Luft und Löslichkeit in Wasser (Frimmel, 1999) Gas Anteil in Vol.-% CH4 1,7 - 1,8 ppm NO 1) 1,9 ⋅ 10-3 10 - 100 ppb 10 ⋅ 10-3 O3 10 - 100 ppb 13 ⋅ 10-3 1) SO2 1) 1) 1,29 ⋅ 10-3 NO2 1) H2S 105 ⋅ 10-3 < 1 - 50 ppb NH3 1) 1) K in mol/L ⋅ bar chemische Folgereaktionen mit Wasser 1250 ⋅ 10-3 57.000 ⋅ 10-3 (25 °C) CH4 - Energieerzeugung, Verbrennung fossiler Energieträger - Wiederkäuer, Reisanbau NOX - vorrangig Verbrennung fossiler Brennstoffe (Verbrennungsgase von Motoren) - Gewitter, anaerobe Bodenorganismen (NO) O3 - Bildung aus NO2 in der Troposphäre und aus O2 in der Stratosphäre O2 + O J O3 NO2 J NO + O λ < 420 nm O2 λ < 242 nm J 2O SO2 - vorrangig Verbrennung fossiler Brennstoffe (Kraftwerke) - Vulkangase, Oxidation von H2S - Oxidation von Dimethylsulfid aus ozeanischem Phytoplankton (Algen) (CH3)2S + 4½ O2 J 2 CO2 + 3 H2O + SO2 H2S - Umsetzung von Eisenkies (Pyrit) im Boden FeS2 + 2 CO2 + 2 H2O J Fe2+ + 2 HCO3- + H2S + S - anaerobe bakterielle Umwandlung von schwefelhaltigen Eiweißstoffen und Sulfaten - Vulkane, Industrie und Landwirtschaft
