1 Partikel / Mineral / Phase

1
Partikel / Mineral / Phase
Agglomerat


eine mehr oder weniger verfestigte Anhäufung von vorher losen Bestandteilen
Nanosan-relevant: kein Begriff der Kolloidchemie, d.h. Aggregat besser geeignet
Aggregat


durch Aggregation entstandener Körper, der gesamt gesehen keine einheitliche
kristalline Fernordnung aufweist
Nanosan-relevant: Ferrihydrit in ionaren Lösungen = aggregierte Ferrihydritkristallite
bulk-Fe



allgemeiner Begriff für nichtdispergiertes Eisenoxid
bezieht sich auf große Kristalle (>1 μm) (z.B. stetig gewachsene Goethitkristalle)
Nanosan-relevant: nicht anwendbar für Ferrihydrit (nanokristallines Mineral), deshalb
diesbezüglich Unterscheidung in Makro- vs. Nanoaggregate besser
Chelat



Sonderform von Komplexen, bei denen ein Ligand (Chelator) koordinative Bindungen
mit dem Zentralatom über mindestens zwei e--Paare (bidentat, tridentat …) eingeht (z.B.
Fe-EDTA)
stabiler als monodentate Komplexe (koordinative Bindung über ein e--Paar)
Nanosan-relevant: Chelatisierung von Fe möglich, allerdings in der Natur eher unter
oxischen Bedingungen zur Erhöhung der Bioverfügbarkeit von Fe(III)
zu erwarten (z.B. Siderophore)
DOM / DOC




gelöste organische Substanz / Kohlenstoff (dissolved organic matter / carbon)
Teil des SOM, der löslich in Wasser bzw. niedrig ionaren wässrigen Lösungen (z.B.
Grundwasser, Bodenlösung) ist
heterogene Mischung von organischen Spezies mit hoher Varianz in Struktur und
funktionellen Eigenschaften
DOC-Konzentration messbar (C-Analyzer)  DOM-Konzentration nicht messbar, da
Strukturformel nicht bekannt (Faustregel: OM/OC = 1,7)
Huminstoffe



terrestrische HS: Teil des SOM, der löslich in stark alkalinen Lösungen ist (NaOHExtraktion)
aquatische HS: Teil des in (Oberflächen-)Gewässern gelösten OM
Nanosan-relevant: Huminstoff-induzierte Effekte auf Fe-Oxide nicht 1:1 auf DOMinduzierte Effekte übertragbar (Komplexbildung …)
Kolloid



Partikel mit einer Größe von 1 – 1000 nm
sind in einer kontinuierlichen Phase gleich verteilt (= dispergiert) als gelöste Substanz
(makromolekulare Strukturen, Komplex) oder als andersartige Phase (z.B. als Fest- in
Flüssigphase [= Sol], Flüssig- in Gasphase [= Aerosol], Gas- in Flüssigphase [Schaum])
Nanosan relevant: kolloidale Lösungen (Suspensionen) mit dispergierten, d.h. nicht
sedimentierenden Partikeln (Eisenoxid-Kolloide)
Komplex



chemische Verbindung, bei der ein Zentralatom (Metallion oder -atom) Lücken in seiner
Elektronenkonfiguration aufweist, so dass sich ein oder mehrere Moleküle oder Ionen,
die Liganden, anlagern können (koordinative Bindung, d.h. gemeinsames e--Paar wird
nur von Ligand bereit gestellt; vergleichbar mit kovalenter Bindung)
DOM / Huminstoffe können Fe komplexieren (Aktivierung)
Nanosan-relevant: Fe-Komplexe  Fe-Oxide, erfüllen aber streng genommen die
Definition für Kolloide
Kristall


ein stofflich und physikalisch homogener Körper, dessen Atome oder Moleküle, welche
gleichbleibende strukturellen Einheiten (Einheitszelle) bilden, nicht zufällig, sondern
regelmäßig in einem Gitter (also in allen Raumrichtungen) angeordnet sind
Nanosan-relevant: die Fernordnung der Einheitszellen im Kristall wird mit
Röntgenbeugung (X-ray diffraction, XRD) beschrieben
Kristallit



Bereich in einem Kristall, in dem die Einheitszellen in wiederkehrender Folge gleich
ausgerichtet sind (Fernordnung)
Kristall kann aus Kristalliten zusammengesetzt sein (polykristallin), muss es aber nicht
(monokristallin)
Nanosan-relevant: Kristallitgröße = u.a. mineraltypische Eigenschaft, z.B. bei Ferrihydrit
sehr gering (<10 nm)
Makroaggregat



Aggregatgröße >1 μm
nicht dispergiert in wässriger Lösung, sondern der Schwerkraft folgend sedimentierend
Nanosan-relevant: passender Begriff zur Beschreibung von Ferrihydrit, der nicht als
dispergiertes Kolloid sondern als Sediment vorliegt (vermeiden:
bulk-Fe)
Matrix


Mischung von Materialien / Phasen, wobei Bestandteile in andere eingebettet sind
Nanosan-relevant: nicht eindeutige Beschreibung von „porösen Medium“ (besser:
Aquifer, poröses Medium, Quarzsand …)
Mineral


natürlicher Festkörper, der eine Kristallstruktur besitzt
Nanosan-relevant: Unterscheidung von Ferrihydrit, Goethit …
Nanoaggregat



Aggregatgröße <1 μm, d.h. wie Kolloide bzw. Nanopartikel
nicht sedimentierend, sondern dispergiert durch Brownsche Molekularbewegung
Nanosan-relevant: passender Begriff zur Beschreibung von dispergierten Ferrihydrit in
ionaren Lösungen (vermeiden: Nanopartikel, da sich dieser Begriff
auch auf die einzelnen Ferrihydritkristallite beziehen könnte)
Nanopartikel



Partikel mit kolloidalen Eigenschaften (Kolloid), dessen räumliche Ausdehnung
unterhalb einer materialspezifischen Grenze ist, was zu besonderen, größenabhängigen
Eigenschaften führt („Nano-Effekt“, d.h. nicht Art des Minerals, sondern dessen Größe
entscheidend für Eigenschaften)
gemeinhin akzeptiert: kritische Größe <100 nm, d.h. Nanopartikel sind zwischen 1-100
nm (in mindestens einer Raumrichtung; Vorsicht vor „Nano-Absurditäten“ (z.B.
Tonminerale nur wenige nm „hoch“, aber mehrere 100 nm „breit“  keine „NanoEffekte“ bei diesen Dimensionen))
Nanosan-relevant: Kolloidbegriff eigentlich ausreichend, da:
o „Nano-Effekt“ für die untersuchten Eisenoxide z.Z. nicht
nachgewiesen
o kritisch bei Ferrihydrit-Nanopartikel: Bezug auf Größe des
Kristallits oder des Aggregats?
ABER Nanosan … Lösung für Ferrihydrit: Nanoaggregat
Phase


homogener Bereich hinsichtlich physikalischer Parameter und chemischer
Zusammensetzung
Nanosan-relevant: Festphase = Minerale, Flüssigphase = wässrige, ionare Lösungen
(z.B. Grundwasser)
SOM


organische Substanz im Boden / Aquifer (soil organic matter)
sehr heterogene Mischung von organischen Spezies mit hoher Varianz in Struktur und
funktionellen Eigenschaften
2
Prozesse / Reaktionen
Aggregation




Verklumpen von Kolloiden
kann reversibel (Flokkulation) oder irreversibel sein (Koagulation)
kann z.B. durch hohe Ionenstärken induziert werden
Nanosan-relevant: Aggregation führt zur Erhöhung der Partikelgröße und verändert
dadurch deren Transporteigenschaften, d.h. die Mobilität im
porösen Medium wird verringert bis hin zur Sedimentation
Aktivierung

Erhöhung der Verfügbarkeit von Fe(III) als e--Akzeptor für den mikrobiellen Stoffwechsel
o Erreichbarkeit von für Mikroorganismen unzugänglichen Fe-Oxiden  org. Spezies
als e--shuttle (nicht durch Injektion mit Fe-Oxid-NP steuerbar)
o Verhinderung der Adsorption von (mikrobiell gebildeten) Fe(II) an der Oberfläche von
Fe-Oxiden (Passivierungsschicht)
Brownsche Molekularbewegung




ungerichtete Wärmebewegung von Teilchen in Flüssigkeiten oder Gasen, welche u.a.
bei Kolloiden auftritt
führt zur Gleichverteilung in Suspensionen, da die Schwerkraft, die eine gerichtete
Bewegung (Erdmittelpunkt) bedingt, die Partikelbewegung nicht kontrolliert
Bewegungsgeschwindigkeit nimmt zu, je kleiner die Partikelgröße
Nanosan-relevant: Partikel / Aggregate (egal ob >100 oder <100 nm; Kolloid,
Nanopartikel) sollen während der Ausbreitungsphase die
Bedingungen für die Brownsche Molekularbewegung erfüllen
DLVO-Theorie

Theorie nach B. Derjaguin, L. Landau, E. Verwey und J. Overbeek, die die Stabilität von
Kolloiden in einer Suspension aus der Bilanz von abstoßenden Kräften (elektrostat.
Interaktionen zwischen den Kolloiden) und anziehenden Kräften (van-der-WaalsInteraktionen) ableitet
Flokkulation



nach DLVO-Theorie: Aggregation im sekundären Minimum
geringe Energie für Peptisation notwendig (Schütteln, Rühren)
Nanosan-relevant: häufig zu beobachten bei organischen Makromolekülen (z.B. FeDOM-Komplexen)
Koagulation




Art der Aggregation, bei der
nach DLVO-Theorie: Aggregation im primären Minimum
relativ hohe Energie für Peptisation notwendig (Ultraschall) bzw. überhaupt nicht mehr
umkehrbar
Nanosan-relevant: kontrollierte Koagulation, nachdem Fe-Oxid-NP ihre Destination
erreicht haben
Passivierung

nicht alles oxidisch gebundene Fe(III) ist als e--Akzeptor verfügbar
o räumlich nicht „zugänglich“ (z.B. wenn ein direkter Kontakt zwischen
Zellmembran-Fe(III) für den e--Übergang notwendig ist)
o Fe(III)-Oxide erlauben durch eine adsorbierte Fe(II)-Schicht keinen e--Übergang
mehr (Fe(II)-Reduktion aus thermodynamischer Sicht ausgeschlossen)
Peptisation

Umkehrprozess der Aggregation, d.h. dadurch entstehen (wieder) Kolloide