Redoxgradienten und transport
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Redoxgradienten und Transport. Tag 3. Tabelle der Standardredoxpotentiale von üblichen Elektronenakzeptoren bei pH 7,0. E 0 ‘ [mV]. O 2. H 2 O. 810 --– O 2 /H 2 O. 751 --– NO 3 - /N 2. NO 3 - /NO 2 - /NH 4 +. 430 --– NO 3 - /NO 2 -. 390 --– MnO 2 /Mn 2+. FeOOH/Fe 2+.

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Presentation Transcript


Redoxgradienten und transport

Redoxgradienten und Transport

Tag 3


Tabelle der standardredoxpotentiale von blichen elektronenakzeptoren bei ph 7 0

Tabelle der Standardredoxpotentiale von üblichen Elektronenakzeptoren bei pH 7,0

E0‘ [mV]

O2

H2O

810 --– O2/H2O

751 --– NO3-/N2

NO3-/NO2-/NH4+

430 --– NO3-/NO2-

390 --– MnO2/Mn2+

FeOOH/Fe2+

363 --– NO3-/NH4+

e-

150 --– FeOOH/Fe2+

0

SO42-/S0/H2S

- 218 --– SO42-/H2S

- 240 --– S0/H2S

- 244 --– CO2/CH4

CO2/CH4

- 414 --– 2H+/H2

- 434 –-- CO2/CH2O

CO2

Organic C


Konsequenzen f r redoxsequenzen in seesedimenten

Konsequenzen für Redoxsequenzen in Seesedimenten

Konz.

NO3-

O2

SO42-

Aerober Abbau

Denitrifikation

H2S

Fe2+

CH4


Stratification of lakes and sediments

Stratification of lakes and sediments


Stratification of lakes and sediments1

Stratification of lakes and sediments


Redoxgradienten und transport

Redoxsequenzen im Grundwasser


I hoch belastete systeme

I. Hoch belastete Systeme

  • Sind normalerweise Elektronenakzeptor limitiert


Redoxgradienten und transport

The classical plume from the textbook


Redoxzonation in groundwater

Redoxzonation in groundwater


Redoxgradienten und transport

The plume fringe concept

Main degradation processes take place at the fringe of the plume

Source

(LNAPL)

Groundwater table

Methanogenesis

D

O2

NO3-

SO42-

O2, NO3-, SO42- Fe(III)

Sulfate-reduction

Manganese(IV)-reduction & denitrification

Aerobic respiration

Groundwater flow direction


Redoxgradienten und transport

The plume fringe concept

Source

(LNAPL)

Groundwater table

Methanogenesis

Toluene (e-donor)

O2

NO3-

SO42-

Sulfate (e-acceptor)

Our working hypothesis!

1) Degradation processes take place at the fringe of the plume

2) Transversal dispersion (Mixing) at the fringe determines and limits biodegradation processes

Groundwater flow direction


Redoxgradienten und transport

Field scale investigations a sandy tar oil-contaminated aquifer

BTEX and PAH plume

Picture provided by Lars Richters & Paul Eckert; Stadtwerke Düsseldorf


Redoxgradienten und transport

Installation of a high resolution multi-level well in Düsseldorf-Flingern

Construction of the multi-level well

Kabel- und Kapillarstränge

hochauflösendes Modul

4 Module vorgefertigt

Bereit zur Abfahrt


Redoxgradienten und transport

Sampling in the high resolution well


Redoxgradienten und transport

Detection of small-scale gradients

High resolution  conventional groundwater sampling

Sulfate [mg/l]

Fe (II) [mg/l]

Toluene [mg/l]

Sulfide [mg/l]

Unsaturated

zone

Saturated

zone

Depth [m bls]

August 2006

C-MLW: Conventional MLW (50 – 100 cm)

HR-MLW: High-resolution MLW (10 – 30 cm)


Redoxgradienten und transport

Toluene [mg l-1]

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0

5

6

6,5

7

Depth [m bls]

7,5

Toluene

8

δ13C Toluene

8,5

-25,0

-24,5

-24,0

-23,5

-23,0

-22,5

-22,0

-21,5

-21,0

-20,5

δ13C [‰]

Toluene Isotope Analysis

February 2006

-24.5 ‰ (6.9 m)

-21.8 ‰ (7.1 m)

Δ13C = -3.2 ‰ 0.5

Significant fractionation

at plume fringes!


Redoxgradienten und transport

δ18O

δ34S

Sulfate Isotope Analysis

Unsaturated

zone

Sulfide [mg l-1]

Toluene [mg l-1]

Sulfate [mg l-1]

δ18O / δ34S [‰]

Saturated

zone

Depth [m bls]


Redoxgradienten und transport

δ18O

δ34S

Sulfate Isotope Analysis

Unsaturated

zone

Sulfide [mg l-1]

Sulfate + Toluene

δ18O / δ34S [‰]

Saturated

zone

Depth [m bls]

  • The plume fringe concept holds!

  • Steep geochemical gradients at the fringes

  • Biodegradation and sulfate reduction take place in the sulfidogenic zone of overlapping gradients of toluene and sulfate


Ii niedrig belastete systeme

II. Niedrig belastete Systeme

  • Sind normalerweise Elektronendonor-limitiert


Redoxgradienten und transport

Redox zones


Redoxgradienten und transport

Welcher Elektronenakzeptor ist wichtig bei realen Konzentrationen von Elektronenakzeptoren im Grundwasser?

Molaritäten bitte ausrechnen!

Konz.

O2 = 8 mg/l = ?

NO3- = 2 mg/l = ?

SO42- = 20 mg/l = ?

Fe(III) = ?

CO2 = ?

NO3-

O2

SO42-

H2S

Fe2+

CH4


Reale konzentration von elektronenakzeptoren f r grundwasser

Reale Konzentration von Elektronenakzeptoren für Grundwasser

Konz.

O2 = 8 mg/l = 250 µM

NO3- = 2 mg/l = 32 µM

SO42- = 20 mg/l = 208 µM

Fe(III) = nicht löslich

CO2 = unterschiedlich vorhanden

NO3-

O2

SO42-

H2S

- Alle Elektronenakzeptoren variieren sehr stark je nach Umweltbedingungen

- Was wären Quellen für die versch. Akzeptoren?

Fe2+

CH4


Weiterf hrung der aufgabe

Weiterführung der Aufgabe

  • Erstellen sie jetzt die stöchiometrischen Halbgleichungen für die Reduktion der Elektronenakzeptoren


Redoxgradienten und transport

Diffusion distance

Time (10°C)

Oxygen

Glucose

1 µm

0,34 ms

1,1 ms

3 µm

3,1 ms

10 ms

10 µm

34 ms

110 ms

30 µm

0,31 s

1 s

100 µm

3,4 s

10 s

300 µm

31 s

100 s

600 µm

2,1 min

6,9 min

1 mm

5,7 min

19 min

3 mm

0,8 h

2,8 h

1 cm

9,5 h

1.3 d

3 cm

3,6 d

12 d

10 cm

40 d

130d

30 cm

1 yr

3,3 yr

1 m

10,8 yr

35 yr

3 m

98 yr

320 yr

10 m

1090 yr

3600 yr

Transport


Wodurch wird die nachlieferung begrenzt diffusion

Wodurch wird die Nachlieferung begrenzt? Diffusion

  • Transport in der Wassersäule über Konvektive Strömung

  • Transport in porösen Medien über Diffusion


Diffusion 1 ficksches gesetz

Diffusion, 1. Ficksches Gesetz

Entnommen aus Fuchs und Schlegel (2006)


Diffusion 1 ficksches gesetz1

Diffusion, 1. Ficksches Gesetz

  • Jx = - D A (dc/dx)t

  • Jx ist der diffusive Fluss in X-Richtung [mol s-1]

  • D ist der Diffusionskoeffizient [cm2 s-1]

  • A ist die Querschnittsfläche [cm2]

  • dc ist der Konzentrationsunterschied

  • dx ist die Diffusionsstrecke

    Bezogen auf einen Querschnitt von A = 1 cm2

    Ergibt den spezifischen Diffusionsfluss

  • Jx/A = - D (dc/dx)t

c2

X

c1


Diffusion 1 ficksches gesetz2

Diffusion, 1. Ficksches Gesetz

  • Diffusionskoeffizient hängt geringfügig von der Konzentration ab: bei c = 1 Gewichtsprozent ist

    D = 1-2 % niedriger als bei c = 0

  • Für uns interessant sind stationäre Verhältnisse in denen zwei Kompartimente unendlich sind

C2 Wasser-

körper

X

Diff. Schicht

C1 Mikros


Tabelle von diffusionskoeffizienten in wasser

Tabelle von Diffusionskoeffizienten in Wasser


Aufgabe

Aufgabe

  • Mikroelektrodenmessungen ergaben für ein Seesediment, das mit oxischem Wasser bedeckt ist (230 µM O2) dass Sauerstoff nach ca. 1 cm bis zur Nachweisgrenze (1 µM) abgebaut war. Wieviel organisches Material kann pro Stunde mit diesem Fluss abgebaut werden?


Aufgabe1

Aufgabe

  • Jx = - D A (dc/dx)t

  • X = 1 cm, c1 = 230 µM, c2 = 1 µM, D = 2,12 x 10-5 cm2 s-1, t = 3600 s

  • J = 2,12 x 10-5 cm2 s-1 x 1 cm2 x 230 µM / 1 cm

    = 487,6 x 10-5 cm3 s-1 µmol/l

    = 4,9 x 10-3 cm3 s-1 µmol/103 cm3

    =4,9 x 10-3 nmol s-1

  • J x 3600 sec = 4,9 x 10-3 nmol s-1 x 3600 s

    = 17,64 nmol


Zeit die ein stoff f r die diffusion braucht

Zeit die ein Stoff für die Diffusion braucht

  • Wie lange braucht ein Sauerstoffmolekül um einen Meter zu diffundieren in Wasser in poröser Matrix?

  • D = ∆ x2 / 2 t

  • t = ∆ x2 / 2 D

    = 1 m2 / 2 x 2,12 x 10-5 cm2 s-1

    = 104 cm2 / 4,24 x 10-5 cm2 s-1

    = 0,24 109 s

    = 2,8 103 Tage

    = 7,67 Jahre


Merke

Merke

  • Für einen Diffusionsgradienten im Fließgleichgewicht gilt:

    • Ist die Konzentrationsgerade gleichförmig finden keine Prozesse zwischen Quelle und Senke statt

    • Ist die Konzentrationskurve gebogen findet an dieser Stelle entweder ein Verbrauch (negative Abweichung von einer Geraden) oder eine Produktion statt (positive Abweichung)


Welcher organismus kann durch diffusionbasierten sauerstofftransport leben

Welcher Organismus kann durch Diffusionbasierten Sauerstofftransport leben?


Diffusion

Diffusion


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