Untersuchungen zur Sorption von TNT-Metaboliten an Ringpolymeren

Diplomarbeit von Francis Hilscher

Zusammenfassung:

Mit der zunehmenden Sensibilisierung der Bevölkerung und der Politik für Umweltprobleme gewinnt die Entsorgung und Vernichtung von Militärchemikalien immer mehr an Bedeutung. Seit Mitte der achtziger Jahre entstand ein immer größeres Spektrum von Aufgaben, angefangen bei der abrüstungs- oder altersbedingten Vernichtung von Kampfmitteln und der Reinigung von Produktionsabfällen bis zur Sanierung von Rüstungsaltlasten aus vergangenen Kriegen.

In der Bundesrepublik Deutschland liegt die Hauptproblematik bei den Rüstungsaltlasten aus den beiden Weltkriegen, deren häufigster und persistentester Kontaminant das 2,4,6-Trinitrotoluol (TNT) ist. Seine Giftigkeit ist beträchtlich, aber nicht so gravierend wie die Giftigkeit der Kampfgase.

Allein während des Zweiten Weltkrieges wurden in Deutschland ca. 0,8 Millionen Tonnen an TNT produziert. Da die Produktion vorwiegend unter Kriegsbedingungen stattfand, wurden Sicherheitsmaßnahmen weitgehend vernachlässigt. Dies hatte eine erhebliche Kontamination der Produktionsanlagen und deren Umgebung mit TNT und den Nebenprodukten seiner Herstellung zur Folge. Im Deutschen Reich gab es neun große Sprengstoffwerke mit einer TNT-Monatsproduktion von mehr als 1000 Tonnen. Daneben gab es noch 60 weitere Werke, die TNT erzeugt oder verfüllt haben.

Ehemals militärisch genutzte Liegenschaften und Produktionsstätten können u. U. eine ernstzunehmende Bedrohung für unsere Umwelt und unser Grundwasser darstellen. Diese Altlasten werden u. a. dann zu einer konkreten Gefährdung der menschlichen Gesundheit, wenn sie in Frischgewässer eindringen und dieses für die Gewinnung von Trinkwasser verwendet wird.

Bei der Produktion von TNT wurden zur Kühlung des Reaktionsprozesses und zur Reinigung des Endproduktes ca. 260-300 Kubikmeter Wasser pro Tonne TNT benötigt. Davon fiel etwa 40 Kubikmeter als stark belastetes Abwasser aus der Reinigung der Zwischenprodukte und der Sulfitwäsche an. Wegen des hohen Wasserbedarfs lagen diese Werke in Gebieten mit hohem Grundwasservorkommen, die noch heute zur Trinkwassergewinnung genutzt werden.

Die Belastung dieses Abwassers war z.T. so groß, dass sich die Schadstoffe nach Neutralisation der sauren Lösung als Schlamm abschieden. Dieser sogenannte Neutralisationsschlamm wurde überwiegend auf ungesicherten Halden deponiert. Das kontaminierte Wasch- und Kühlwasser wurde ohne weitere Behandlung in nahegelegene Gewässer geleitet oder versickert. Nebenbei kam es darüber hinaus bei Unfällen, Zerstörung durch Bombardierungen und Demontage der Betriebsanlagen zur weiteren Freisetzung erheblicher Schadstoffmengen.

Auch heute noch sind an den ehemaligen Produktionsstandorten wegen der hohen Persistenz der eingetragenen Schadstoffe Boden und Grundwasser mit großen Mengen an TNT und anderen nitroaromatischen Verbindungen (sog. STV: Sprengstofftypische Verbindungen) belastet. Wegen der geringen Flüchtigkeit von TNT erfolgt die Ausbreitung in der Umwelt hauptsächlich über den Wasserpfad. Die Trinkwasserversorgung ist seit Beginn der Produktion von TNT durch den Eintrag in das Grundwasser gefährdet.

Die ersten Versuche, das Gefährdungspotential der Rüstungsaltlasten zu verringern, waren Maßnahmen zur Verringerung des Schadstoffaustrags in das Grundwasser. Anfangs beschränkte man sich auf das Abdecken hochkontaminierter Flächen, um eine Auswaschung der Schadstoffe durch Regenwasser zu verhindern. Diese sehr einfachen Methoden zur hydraulischen Sicherung von Altlasten sind in der Zwischenzeit durch aufwendigere Verfahren ersetzt worden. In Standorten wie z. B. Stadtallendorf, Hessisch-Lichtenau oder Elsnig/Torgau wird über Drainageleitungen das Grundwasser aus kontaminierten Bereichen abgepumpt und durch Filter aus Aktivkohle gereinigt. Der Austrag von TNT aus der Oberfläche wird durch die geringe Wasserlöslichkeit und die Sorption an Bodenbestandteilen limitiert und erfolgt nur sehr langsam, weshalb diese z.T. sehr kostenintensiven Maßnahmen zur Sicherung der Standorte auch langfristig fortgesetzt werden müssen, um die Gefahr für die Gesundheit der Bevölkerung weitestgehend zu minimieren.

Heute geschieht die Reinigung von sprengstoffkontaminierten Wässern hauptsächlich mit Hilfe von Adsorption an Aktivkohle. Die Verfahren müssen dabei folgenden Anforderungen genügen:

- Eliminierung aller im Wasser befindlichen Schadstoffe.

- Niedrige Investitions- und Betriebskosten.

- Wartungsarmer Betrieb bei hoher Zuverlässigkeit.

Um diese Anforderungen besser zu erfüllen, wird rezent auch der Einsatz von Polymeren Räumlich Globularer Struktur (RGS-Polymere, engl. SGS-Polymers, russ. PGS) zur Reinigung von sprengstoffkontaminierten Wässern untersucht. Aufgrund von Vorversuchen zur Adsorption von STV stellten sich RGS-Polymere zur Reinigung von Grundwässern grundsätzlich als sehr vielversprechend heraus. Die Herstellung und Nutzung von Polymerfiltermaterial räumlich globularer Struktur erfolgte erstmalig Ende der siebziger Jahre Aufgrund der Struktur der Polymere und deren hohen Porösität kann im Vergleich zur Aktivkohle mit höheren Durchflussgeschwindigkeiten bei der Beseitigung von STV aus kontaminierten Wässern sowie mit einer guten Regenerierbarkeit gerechnet werden.

In einem Verbundvorhaben („GRURUS“, BMBF, Projektträgerschaft: Wassertechnologie, Projekt: „Verfahren zur Reinigung schadstoffbelasteter Wässer am Beispiel einer TNT-Kontamination (FKZ 02 WT 0152-55)), im Rahmen dessen die vorliegende Arbeit durchgeführt wurde, soll die Reinigung von Grund- und Oberflächenwässern mit Hilfe einer alternativen Technik auf der Grundlage dieser RGS-Polymere untersucht werden.

Mit dem Ziel der Verfahrensentwicklung und optimalen Gestaltung des Aufbaus und Betriebs einer Pilotanlage sind Sorptionsuntersuchungen (Adsorption- und Desorption) an RGS-Polymeren unter Berücksichtigung verschiedener Einflussgrößen erforderlich. Die Ermittlung dieser Datenbasis setzt zudem eine zuverlässige, schnelle und nachweisstarke Bestimmung der Schadstoffe in den Modelllösungen voraus. Zu diesem Zweck sollen in der vorliegenden Diplomarbeit die erforderlichen analytischen Verfahren erarbeitet, in ihren Güteziffern optimiert und abgesichert werden. Anhand von Sorptionskurven (Durchbruchskurven) soll das Sorptionsverhalten sprengstofftypischer Verbindungen an RGS-Polymeren untersucht werden. Detailuntersuchungen sollen zudem klären helfen, ob auch solche Sprengstoffe und sprengstofftypischen Verbindungen selektiv aus dem Wasser entfernt werden können, die bei einer Aktivkohlebehandlung nicht oder nur ungenügend erfasst werden. Nach erfolgter Adsorption der Schadstoffe soll zudem die Regenerierbarkeit der RGS-Polymere untersucht und optimiert werden, um letztendlich die Schadstoffkonzentrate einem mikrobiologischen Abbauverfahren zuführen zu können.

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