Tonminerale als Sorbenten für hydrophobe organische Chemikalien (ClayHOC)

• Antragsteller: Dr. Leonard Böhm
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443637168

Hydrophobe organische Chemikalien (HOC), wie z. B. halogenierte aromatische Kohlenwasserstoffe, können in der Umwelt sehr persistent sein und schädliche Effekte auf Menschen und Biota haben. HOC können in relevanten Mengen u.a. an Tonminerale (clay minerals, CM) adsorbieren. Die strukturabhängigen Wechselwirkungen zwischen CM (Schichtladung, spezifische Oberfläche, Porosität, Kationenbelegung) und HOC (Molekülgröße, Elektronenstruktur, Hydrophobizität) sind jedoch nicht ausreichend verstanden. Ziel des bilateralen DFG-FWF-Projekts ist, durch Kombination von Adsorptionsexperimenten und molekularen Modellierungsmethoden, Mechanismen der HOC-CM-Interaktionen aufzuklären. Die Hauptziele sind, in Laborexperimenten, (i) die Quantifizierung der Adsorption von HOC mit verschiedener Hydrophobizität an CM mit verschiedener Schichtladung; (ii) die Bestimmung des Einflusses austauschbarer Kationen auf die Adsorption von HOC an CM; (iii) die Bestimmung der Sorptionshysterese für HOC-CM-Interaktionen in Bezug auf spezifische Oberfläche und Porosität der CM; sowie, durch die Verwendung von molekularen Simulationen, (iv) die Aufklärung molekularer Mechanismen der Bildung von Oberflächenkomplexen und Interkalationen von HOC mit CM; und (v) die Quantifizierung von HOC-CM-Interaktionen in Bezug auf Kationentyp und Schichtladung sowie dem Einfluss des Solventen auf die Stabilität der HOC-CM-Komplexe. Die HOC-CM-Interaktionen werden in Batch-Adsorptionsexperimenten untersucht und mit Techniken zur komplexen Charakterisierung der CM begleitet (z. B. Röntgendiffraktometrie, XRD; Transmissionselektronenmikroskopie, TEM; Rasterkraftmikroskopie, AFM). Die Experimente werden mit fünf halogenierten HOC und 20 CM (v.a. Smektite) mit definierter Schichtladung und chemischer Zusammensetzung einschließlich des austauschbaren Kationentyps durchgeführt. Für ausgewählte HOC und CM werden Adsorptions-/Desorptionsexperimente zur Bestimmung der Sorptionshysterese durchgeführt. Die HOC werden mittels lösungsmittelfreier, miniaturisierter Festphasenmikroextraktion (SPME) extrahiert. Die Molekularsimulationen kombinieren quantenchemische (QM) Methoden und klassische (Kraftfeld) Molekulardynamik (FF-MD) an CM-Modellen, die auf Grundlage der experimentellen Charakterisierung bestimmt wurden. Die Molekularsimulationen dienen der Aufklärung der Mechanismen von HOC-CM-Interaktionen auf molekularer Ebene sowie der Bestimmung des Einflusses von Schichtladung, Kationentyp und Solvent auf die Stabilität der HOC-CM-Komplexe. In Einzelfällen ist Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) für die Vorhersage von Adsorptionsisothermen geplant. Die Zusammenarbeit zwischen der deutschen Gruppe (Laborexperimente) und der österreichischen Gruppe (molekulare Modellierung) wird positive synergistische Effekte hinsichtlich neuer Erkenntnisse zu HOC-CM-Interaktionen liefern. Die Ergebnisse werden zu einem besseren Verständnis des Umweltverhaltens von HOC-Schadstoffen beitragen und ihre Risikobewertung verbessern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Martin H. Gerzabek