Die organische Bodensubstanz als amorphe Matrix - Alterung, Quellung und Benetzung im Wechselspiel mit Wasser

The Amorphous Nature of Soil Organic Matter - Aging, Swelling and Wetting and their interplay with water

  • Boden ist unter Feldbedingungen einer Dynamik von Temperatur und Feuchte ausgesetzt. Dadurch werden Quellungs- und Schrumpfungsprozesse sowie Veränderungen in den Oberflächeneigenschaften der organischen Bodensubstanz induziert, die nur in den seltensten Fällen vollständig reversibel sind. Von diesen Veränderun-gen werden direkte Auswirkungen auf das Sorptions- und Transportverhalten organischer Schadstoffe erwartet. Trotz dieser Bedeutung sind die zugrunde liegenden Prozesse bis heute noch weitBoden ist unter Feldbedingungen einer Dynamik von Temperatur und Feuchte ausgesetzt. Dadurch werden Quellungs- und Schrumpfungsprozesse sowie Veränderungen in den Oberflächeneigenschaften der organischen Bodensubstanz induziert, die nur in den seltensten Fällen vollständig reversibel sind. Von diesen Veränderun-gen werden direkte Auswirkungen auf das Sorptions- und Transportverhalten organischer Schadstoffe erwartet. Trotz dieser Bedeutung sind die zugrunde liegenden Prozesse bis heute noch weitgehend unverstanden. Ziel dieser Arbeit war es, die organische Bodensubstanz, basierend auf der Modell-vorstellung als amorphe Matrix, von einem neuen Blickwinkel zu beschreiben. Mit Hilfe der in der Bodenchemie noch wenig bekannten Methoden der 1H-NMR-Relaxometrie und Differential Scanning Kalorimetrie wurden ihre Wasserbindung und Matrixeigenschaften charakterisiert. Im Zentrum stand die Charakterisierung des Glasübergangsverhaltens und der physikalischen Alterung sowie deren Beeinflus-sung durch Wasser, Feuchtebedingungen und Temperatur. Die organische Bodensubstanz zeigt sowohl typisches als auch irreversibles Glas-übergangsverhalten, wobei Wasser in antagonistischer Weise als kurzfristig wirken-der Weichmacher und langfristig wirkender Hartmacher fungiert. Die zugrunde liegenden Strukturrelaxationsprozesse äußern sich in einer langsamen physikochemi-schen Alterung der organischen Matrix über einen Zeitraum von mindestens sechs Monaten. Änderungen in den Feuchtebedingungen führen zu einer Beschleunigung und teilweisen Umkehrung der Alterung. Hystereseeffekte als typisches Merkmal amorpher Stoffe wurden bei Matrixeigenschaften und bei Wasseraufnahme und -abgabe beobachtet. Quellungsprozesse führen zu einer Veränderung der Poreneigenschaften, Porengrößen und Wasserbindung. Die Matrixalterung könnte auch für die zeitliche Variabilität der Benetzungseigenschaften von Bodenproben verantwortlich sein, und mikrobiell gebildete extrazelluläre Substanzen stellen einen weiteren wichtigen Einflussfaktor dar. Die Ergebnisse zeigen die Bedeutung der Matrixalterung für Sorption und Stofftrans-port in bodenkundlich relevanten Zeiträumen. Das Verständnis der Matrixalterung kann zu einem tieferen Verständnis der Alterung sorbierter Schadstoffe führen. In der weiteren Forschung sollen deshalb Zusammenhänge zwischen Struktur, Mikrobiologie, Alterung und Schadstoffbindung untersucht werden.show moreshow less
  • Under field conditions, soil is subjected to temperature and moisture dynamics. These induce swelling and shrinking as well as changes in the surface characteristics of soil organic matter, which are not fully reversible. These changes are expected to affect sorption and transport of organic contaminants. Despite this relevance, the underlying processes are still only scarcely understood. The objective of this research were to describe soil organic matter from a new viewpoint considering it as aUnder field conditions, soil is subjected to temperature and moisture dynamics. These induce swelling and shrinking as well as changes in the surface characteristics of soil organic matter, which are not fully reversible. These changes are expected to affect sorption and transport of organic contaminants. Despite this relevance, the underlying processes are still only scarcely understood. The objective of this research were to describe soil organic matter from a new viewpoint considering it as amorphous matrix. Water binding and matrix properties were characterized with 1H-NMR-Relaxometry and Differential Scanning Calorimetry, both of which represent young methods in the field of soil chemistry. We characterized the glass transition behavior and physical and physicochemical aging of soil organic matter and their interplay with water, moisture conditions and temperature. Soil organic matter reveals typical as well as atypical glass transition behavior, where water acts in antagonistic way as short-term plasticizer and long-term antiplasticizer. The processes of structural relaxation express in physicochemical aging of the organic matrix, and lasts for at least six months. Fluctuations and changes of moisture conditions accelerated or reversed the aging process. We observed hysteresis for water absorption as well as matrix properties, and swelling most probably results in a change of pore size, pore characteristics and water binding. Matrix aging may also be responsible for the changes in soil wettability in the course of time, and extracellular polymeric substances (EPS) most probably are additionally involved in the aging process. The results show the relevance of matrix aging for sorption and transport. Understanding of the processes underlying and affecting aging of soil organic matter, will lead to a better understanding of contaminant aging. Future research therefore should concentrate on the interrelations between structure, microbiology and aging of contaminants and soil organic matter.show moreshow less

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Metadaten
Author: Gabriele Ellen Schaumann
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-12220
Advisor:Prof. Dr. Wolfgang Rotard
Document Type:Habilitationsschrift
Language:German
Date of Publication (online):2006/03/15
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Date of final exam:2006/02/15
Release Date:2006/03/15
Tag:Alterung; Glasübergang; Organische Bodensubstanz; Quellung; Wasser
aging; glass transition; soil organic matter; swelling; water
Institutes:Institut für Technischen Umweltschutz
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)