Acetonitril, halogenierte Acetonitrile und Trichlornitromethan besitzen vom toxikologischen Standpunkt aus ein hohes Gefährdungspotenzial für die Umwelt. Nichtsdestotrotz herrscht in der Wissenschaft eine große Unkenntnis über die Entstehung, den Transport, die Verbreitung und die möglichen Abbaumechanismen dieser Verbindungen. Dies betrifft vor allem die chlorierten und bromierten Acetonitrile sowie Trichlornitromethan in der Pedosphäre. Acetonitril gelangt nach neuesten Untersuchungen hauptsächlich auf natürlichem Wege in die Umwelt. Die dominante Quelle ist hierbei in der Verbrennung von Biomasse („biomass burning“) zu sehen (Hamilton et al., 2004). Auf diese Weise kommt es durch atmosphärischen Transport zu einer ubiquitären Verbreitung von Acetonitril in der Atmosphäre. Aus diesem Grund dient Acetonitril in vielen Computermodellen als atmosphärisches Tracergas für biomass burning (Sanhueza et al., 2004). Über bromierte und chlorierte Acetonitrile sowie Trichlornitromethan wurde bisher fast ausschliesslich im Zusammenhang mit der Chlorierung von Trink- und Badewasser berichtet (z.B. Schöler u. Schopp, 1984; Nikolaou et al., 1999), weswegen sie in die Stoffklasse der Desinfektionsnebenprodukte eingeordnet werden, wobei von einigen dieser Verbindungen ein toxisches Gefährdungspotenzial für die Umwelt ausgeht. Über die mögliche Bildung der genannten Verbindungen in Böden gibt es hingegen bisher kaum Daten in der wissenschaftlichen Literatur. Die wenigen Publikationen, die hierzu bekannt sind, beschäftigen sich dabei nur am Rande mit Bodenprozessen bei denen Acetonitril, chlorierte und bromierte Acetonitrile sowie Trichlornitromethan gebildet oder abgebaut werden. Aus den oben angeführten Gründen ist es notwendig zu untersuchen, ob und in welcher Form diese zuvor erwähnten organischen Verbindungen gebildet werden können.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung und Zielsetzung
1.1 Einführung
1.2 Chemische, physikalische und toxische Eigenschaften von Acetonitril, Haloacetonitrilen und Trichlornitromethan
1.3 Vorkommen und Verbreitung von Acetonitril, Haloacetonitrilen und Trichlornitromethan
1.3.1 Atmosphäre
1.3.2 Hydrosphäre
1.3.3 Pedosphäre
1.4 Konzeption und Fragestellung
2 Analytik
2.1.1 Chemikalien
2.1.2 Materialien
2.2 Ansetzen der Standards und Modellsubstanzen
2.2.1 Ansetzen der Standards
2.2.2 Ansetzen der Modellsubstanzen
2.3 Statische Headspace-Technik
2.4 Gaschromatographie
2.4.1 HS-GC-ECD-System
2.4.2 GC-MS-System
3 Ergebnisse und Interpretation
3.1 HS-GC-ECD Messungen
3.1.1 Versuche zur Bildung von Acetonitril mit Guajacol, KCN und Fe(III)-Sulfat
3.1.2 Versuche zur Bildung von Acetonitril, chlorierten Acetonitrilen und Trichlornitromethan mit Guajacol, NaCl, KCN und FeCl3 bzw. CuCl2
3.1.3 Versuche zur Bildung von bromierten Acetonitrilen mit Guajacol, KBr, KCN und FeCl3 bzw. CuCl2
3.1.4 Versuche zur Bildung von Bromchloracetonitril mit Guajacol, KBr, KCN, NaCl und FeCl3 bzw. CuCl2
3.2 HS-GC-MS Messungen
4 Zusammenfassung und abschließende Diskussion
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel der Arbeit ist die Untersuchung der Frage, ob Acetonitril sowie halogenierte (chlorierte und/oder bromierte) Acetonitrile und Trichlornitromethan unter abiotischen Bedingungen im Boden gebildet werden können. Hierzu wird der Einfluss verschiedener Modellsubstanzen und Bodenreaktionsparameter analysiert.
- Untersuchung abiotischer Bildungsmechanismen organischer Verbindungen im Boden.
- Einsatz der statischen Headspace-Technik zur Probenextraktion.
- Analytische Quantifizierung mittels GC-ECD und GC-MS-Systemen.
- Einfluss von Redoxpotenzialen (Eisen- und Kupferverbindungen) auf die Produktbildung.
- Bewertung von Dehalogenierungsprozessen in Anwesenheit von Bodeninhaltsstoffen.
Auszug aus dem Buch
1.3.1 Atmosphäre
Informationen über die Verbreitung von halogenierten Acetonitrilen in der Atmosphäre sind in der wissenschaftlichen Literatur kaum zu finden. Anders verhält es sich dabei mit Acetonitril. Diese Verbindung stellt ein weltweit vorkommendes Spurengas in der Atmosphäre dar. Es verhält sich chemisch relativ stabil und kommt aufgrund dessen auch in der Stratosphäre vor, in der es, neben anderen Substanzen, als Ligand für positive stratosphärische Cluster-Ionen fungiert (Arnold, 1978). Lobert et al. (1990) sowie Holzinger et al. (1999) gehen davon aus, dass die weitaus größte natürliche Quelle für die Entstehung von Acetonitril (CH3CN) in der Verbrennung von Biomasse („biomass burning“) zu sehen ist. Die hierdurch verursachten Emissionsmengen werden von Lobert et al. (1991) mit 0,2 bis 1,1 TgNyr-1 für Acetonitril und 0,1 bis 3,2 TgNyr-1 für Cyanwasserstoff (HCN) angegeben. Aus diesem Grund ist Acetonitril, zusammen mit Cyanwasserstoff, ein wichtiges Tracergas für die Verbrennung von Biomasse (Sanhueza et al., 2004) und spielt darüber hinaus auch eine nicht unbedeutende Rolle im Stickstoffkreislauf selbst (Li et al., 2000). Dennoch ist das Budget von Acetonitril in der Atmosphäre noch weitgehend unbekannt. Seine geschätzte mittlere Lebensdauer beträgt 0,45 (Hamm u. Warneck, 1990) bis hin zu 1,5 Jahre (Hamm et al., 1984); nasse Depositionen und Reaktionen mit OH-Radikalen führen zudem zu einer Verlängerung der Lebensdauer (Holzinger, 2004). Die Annahme, dass Ozeane als große Senken auftreten, reduziert ihre mittlere Lebensdauer auf 5,4 (Hamm u. Warneck, 1990) bis 6,8 Monate (Singh et al., 2003). Letztere These wird auch von anderen Autoren aufgestellt (Karl et al., 2003; Warneke u. de Gouw, 2001; Singh et al., 2003; de Gouw et al., 2003), die in ihren Publikationen von einer Aufnahme von Acetonitril durch die Ozeane berichten, weshalb sie die bis dato veröffentlichten Daten zur mittleren Lebensdauer von atmosphärischem Acetonitril noch geringer einschätzen.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung und Zielsetzung: Einführung in die toxikologische Relevanz von Acetonitril und Haloacetonitrilen sowie Darstellung der Forschungsfrage bezüglich ihrer abiotischen Bildung im Boden.
2 Analytik: Detaillierte Beschreibung der verwendeten Chemikalien, Materialien und der angewandten Headspace-Gaschromatographie sowie der GC-MS zur qualitativen Analyse.
3 Ergebnisse und Interpretation: Präsentation der Messergebnisse aus den verschiedenen Modellansätzen und Diskussion der Reaktionsabläufe und Abbauprozesse unter variierenden Bedingungen.
4 Zusammenfassung und abschließende Diskussion: Synthese der Ergebnisse, wobei die abiotische Bildung von Acetonitril bestätigt, jedoch die Bildung halogenierter Acetonitrile unter den gewählten Bedingungen verneint wird.
Schlüsselwörter
Acetonitril, Haloacetonitrile, Trichlornitromethan, Pedosphäre, Bodenreaktionen, Statische Headspace-Technik, Gaschromatographie, GC-ECD, GC-MS, Biomasseverbrennung, Dehalogenierung, Redoxreaktionen, Guajacol, Cyanide, Umweltgeochemie
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Die Arbeit untersucht die abiotische Bildung von Acetonitril und halogenierten Acetonitrilen in Böden, um Wissenslücken über deren Entstehung und Verbreitung zu schließen.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die Umweltgeochemie von organischen Stickstoffverbindungen, deren analytische Erfassung mittels Gaschromatographie und die Simulation bodenchemischer Prozesse im Labor.
Was ist das primäre Ziel der Forschungsfrage?
Die zentrale Frage ist, ob Acetonitril, chlorierte oder bromierte Acetonitrile sowie Trichlornitromethan unter abiotischen Bedingungen im Boden entstehen können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Es werden Modellsubstanzgemische (u.a. KCN, Guajacol, Metallsalze) in Laboransätzen hergestellt und gaschromatographisch mit einem HS-GC-ECD-System sowie zur Verifizierung mit einem GC-MS-System analysiert.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil befasst sich mit der detaillierten Analytik, den verschiedenen Versuchsreihen mit unterschiedlichen Metallkatalysatoren (Eisen- und Kupferverbindungen) und der Interpretation der erhaltenen Chromatogramme.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Die Arbeit lässt sich durch Begriffe wie Acetonitril, Haloacetonitrile, Umweltgeochemie, Bodenreaktionen, Headspace-Gaschromatographie und Dehalogenierung charakterisieren.
Wie beeinflussen Eisen- und Kupferverbindungen die Ergebnisse?
Es zeigte sich, dass insbesondere Kupfer(II)-Chlorid aufgrund seines höheren Redoxpotenzials im Vergleich zu Eisen(III)-Chlorid deutlich stärkere Abbau- und Umwandlungsprozesse der untersuchten Analyten bewirkt.
Welche Schlussfolgerung zieht der Autor zur Bildung von Acetonitril?
Die Messungen mittels GC-MS ergaben einen positiven Befund für die Bildung von Acetonitril in den untersuchten Modellsubstanzgemischen, was die theoretische Möglichkeit einer abiotischen Entstehung stützt.
- Quote paper
- Frank Bernsdorff (Author), 2004, Untersuchungen zur abiotischen Bildung von Acetonitril, Haloacetonitrilen und Trichlornitromethan, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/39621
