Trace elements in floodplain soils - effects of redox conditions on the mobility of trace elements and volatilization of mercury

Purpose. Floodplains are characterized by periodic flooding and their soils can contain high concentrations of trace elements. The flooding events lead to varying oxygen contents in the soil. This is accompanied with varying redox conditions that are expressed by strongly fluc-tuating redox potentials. This study investigated the influence of flooding events on the mobilization of the trace elements arsenic, cadmium, cobalt, chromium, copper, molybdenum, nickel, lead, antimony, and zinc, as well as the volatilization of mercury in laboratory experiments. Material and methods. Multi-contaminated floodplain soils from the Elbe River in Lower Saxony, Germany, and the Wupper River in North Rhine-Westphalia, Germany, were used for the experiments. The first type of experiment was a microcosm experiment. Soil suspensions were held at fixed redox conditions in these experiments. In the first experiment we investigated the influence of oxidizing (oxygen predominant), weakly reducing (tri- and tetravalent manganese reduction), and moderately reducing (trivalent iron reduction) conditions at three temperatures (7, 15, and 25 °C) on the solubility of ten trace elements. Soil suspensions were sam-pled at different intervals and analyzed for trace elements and accompanying parameters (iron, bivalent iron, manganese, chloride, sulfate, and dissolved organic carbon). In the second experiment we investigated the distribution of mercury among the solid, dissolved, and gaseous phases under moderately reducing (trivalent iron reduction) and strongly reducing (hexavalent sulfur reduction) conditions. The degassed mercury was trapped in tubes filled with activated carbon in order to determine the total mercury volatilized. On every third day soil suspensions were sampled, filtered, and analyzed for dissolved and solid mercury. The mercury in the three different phases was analyzed with a direct mercury analyzer (DMA-80, MLS, Germany). The other type of experiment was the soil column experiment with undisturbed soil cores from the topsoil at the Elbe River. Soil columns were incubated at 20 °C with various soil moisture contents (water-saturated for two weeks, 95 and 90% water content for one week each) and the redox potential was recorded. The gaseous mercury that accumulated in the headspace of the flux chamber of the columns was pumped over cooled traps filled with adsorber material and analyzed by gas chromatography/inductively coupled plasma mass spectrometry for the various mercury species. Results. In the microcosm experiments the solubility of the trace elements was low under oxidizing conditions. Reductive dissolution of manganese oxides under weakly reducing conditions was accompanied by a release of cobalt and molybdenum. Reductive dissolution of iron oxides (and of remaining manganese oxides) under moderately reducing conditions also led to a release of arsenic, cadmium, chromium, nickel, and lead, whereas copper and zinc were hardly affected. Antimony revealed different behavior, because after an initial increase a continuous decrease in its concentration was observed soon after the onset of weakly reducing conditions. This could be attributed to the fact that the antimony species changed to a strongly bound species. We conclude that soil temperature should be considered as a master variable when distinguishing between weakly and moderately reducing soil conditions. It is also necessary to keep element specific behavior in mind when dealing with the effects of redox conditions on trace element solubility in soils. In the second microcosm experiment the dissolution of mercury was highest at the beginning of the experiment and then decreased rapidly. This resulted from the dissolved mercury being reduced to the gaseous species (elemental mercury), which then could evaporate. Mercury volatilization reached its maximum around day 20 and then strongly decreased. Overall, during the course of the experiment only small amounts of mercury were dissolved; hence, only small amounts could volatize. This resulted from the strong binding of mercury in this soil, as revealed by sequential fractionation. In the column experiments watering the soil resulted in a rapid decrease in the redox potential and the achievement of strongly reducing conditions (redox potential < –100 mV). Mercury concentrations in the pore water decreased continuously from 68.3 µg L–1 mercury in the beginning to 5.78 µg L–1 mercury at the end of the experiment. Species analyses revealed that only elemental mercury became volatile. The volatilization rate of mercury was between 1.73 and 824 ng m–2 h–1, which is consistent with other studies at the Elbe River site. Conclusions. Lowering the redox potential in all experiments resulted mostly in increased solubility of the trace elements. However, the reactions of the trace elements were element specific. For mercury the increasing solubility under reducing redox conditions led to increased volatilization of mercury, because dissolved mercury in soil solutions can be reduced to gaseous mercury species

Infusionsflügel - leicht, aber nicht einfach

Einen Segelflugzeugflügel im Infusionsverfahren herzustellen, klingt erst einmal gar nicht so schwierig. Wir nehmen uns ein Formwerkzeug, legen einen Lagenaufbau darauf ab, bringen ein paar Hilfsstoffe für die Vakuuminfusion auf, siegeln alles mit einer Vakuumfolie, evakuieren den Aufbau und lassen das Harz fließen. Der Rest geht dann von allein

Influence of Deposition Temperature and Compaction Force on the Infusion Properties of DFP Preforms

The deposition of dry fiber materials in the dry fiber placement (DFP) process with subsequent impregnation is becoming increasingly widespread. The wing covers of the Irkut MS 21 are already being manufactured using the DFP process, and research projects at major aircraft manufacturers are increasingly incorporating the technology. In this process, the deposition speed depends on the temperature and the compaction force. However, it is not only the laying speed that counts during production, but also the impregnation afterwards. Thus, the effects of the depositing parameters on the infusion properties must be known. In this study, a two-step approach is used. Planar preforms (Hexcel HiTape) that have been deposited with different parameters are divided into four quadrants, and first samples are analyzed for isotropic properties in a two-dimensional infusion test. Then, one-dimensional infusion tests are performed so that infusion times can be compared. The tests show that the lowest infusion time can be obtained at low deposition temperature and high compression force. Additionally, using a comparable material (Solvay TX 1100), it is shown that increasing the gaps between the tows increases the permeability and homogeneity of the preform

Rohrproben - ein pragmatischer Erkenntnisweg für den LH2-Tank

Wasserstoff ist eine vielversprechende Treibstoffoption für die kommende Generation von Verkehrsflugzeugen. An Bord wird er in flüssiger Form, d.h. kryogen, bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt mitgeführt und als LH2 bezeichnet. Ein großer Tank ist notwendig mit sehr guter thermischer Isolation. Tank und Isolation erhöhen die strukturelle Masse. Das Gewicht eines Flüssigwasserstofftanks ist eine Material- und eine Optimierungsfrage. Eine besondere Herausforderung ist die Dichtigkeit: Wasserstoffmoleküle sind sehr klein und durchdringen (Permeation) jedes Tankmaterial mehr oder weniger schnell. Das Permeationsverhalten von Faserverbundstrukturen im Kontakt mit kryogenem Wasserstoff zu verstehen und messen zu können, ist daher für dessen sichere Handhabung von großer Bedeutung. Auf Basis dieser Erkenntnisse werden Materialien, Design und Fertigung des Tanks angepasst. Ein pragmatischer Ansatz wird mit der Fertigung von Rohrproben verfolgt, die zyklisch auf kryogene Temperatur abgekühlt und anschließend auf Dichtigkeit und auf Rissbildungen unter dem Mikroskop untersucht werden. So sind schnell grundlegende Erkenntnisse zu erlangen

Kombination der Analyse von Black Carbon, PAK und organischen Geosorbenten in urbanen Böden als Indikator für die Bioverfügbarkeit von PAK

In den letzten Jahren hat die Bedeutung von aromatischen Kohlenwasserstoffmolekülen in umweltrelevanten Fragestellungen zugenommen: Toxizität und Bioverfügbarkeit von polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK), die Bindung dieser Substanzen an Geosorbenten und die damit verbundene reduzierte Freisetzungsrate, sowie die Differenzierung des organischen Kohlenstoffs (TOC) in Böden in reaktive und gering reaktive Kohlenstoffpools (Black Carbon) im Hinblick auf Kohlenstoffspeicherung, die Verwertbarkeit von Böden mit erhöhten TOC- und PAK-Gehalten und Biochar. Die Herkunft dieser aromatischen Moleküle aus biogenen, petrogenen oder pyrogenen Quellen ist hierbei von besonderer Bedeutung, da sich die Bildungsmechanismen unterscheiden und ggf. charakteristische Moleküle oder Molekül-Muster gebildet werden. PAK und Black Carbon sind eng miteinander verbunden, letztlich bestehen die größeren Black Carbon-Strukturen wesentlich aus den zahlreichen PAK bzw. können aus diesen durch Koagulation gebildet werden. Andererseits können PAK als „mobile Phase“ zwischen den größeren 3-dimensionalen Kohlenwasserstoffstrukturen des Kerogen z. B. in Kohlen enthalten sein. Die Vielfalt der durch überwiegend anthropogene Prozesse schließlich in Böden vorliegenden Arten von TOC-haltigen technogenen Substraten sowie Gemischen ist groß und kann mittels organisch-petrographischer Methoden identifiziert und quantifiziert werden. In dieser Studie werden systematische Zusammenhänge zwischen petrogenen und pyrogenen PAK, Black Carbon anhand der Aromatizität und des Grades der aromatischen Kondensation (Benzenpolycarbonsäuren(BPCA)-Methode mittels Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie) sowie der petrographischen mikroskopischen Analyse gezeigt. Als Probenset dienten Ruße (z. B. Diesel, Holz), Aschen, Schlacken, Lignit, Braun- und Steinkohlen sowie Anthrazit, Bergematerial, Kohleschlamm, Holzkohlen, Kokse unterschiedlicher Herkunft, Stäube, Rohöle, Teeröle sowie Böden mit Mischungen von technogenen Substraten aus dem Ruhrgebiet. Hinzugefügte Literaturdaten bestätigen die Messergebnisse im Kohlenstoffkontinuum. Untersuchungen der Freisetzung von PAK in die wässrige Phase sowie ihrer Resorptionsverfügbarkeit weisen auf ein allgemein geringes Potential im thermisch beeinflussten Teil des Kohlenstoffkontinuums hin

Strategischer Einsatz von Monitoring bei Ingenieurbauwerken mit Anwendungsbeispielen

Der Wandel des Erhaltungsmanagements von Ingenieurbauwerken von einem reaktiven Vorgehen zu einem prädiktiven Lebenszyklusmanagement kann zur Erreichung einer zuverlässigen und verfügbaren Infrastruktur beitragen. Mit dem Einsatz von Monitoring besteht die Möglichkeit, zusätzliche Informationen zum Bauwerk und dessen zukünftiger Entwicklung abzuleiten. Der Einsatz von Monitoring ist komplex und kann daher über die Realisierung von Anwendungsfällen gestärkt werden. In Deutschland weit verbreitete Anwendungsfälle werden mit konkreten Beispielen dargestellt. Zusätzlich werden Anwendungsfälle mit ersten Umsetzungsbeispielen und mögliche zukünftige Anwendungen mit ihren Potenzialen skizziert. Die Möglichkeit der Zusammenführung der Anwendungsfälle in digitalen Zwillingen ist ein Zukunftsbild, welches im Rahmen des Artikels beschrieben wird