On the possibility of using organic molecules in the characterization of subsurface processes

Abstract

Tracertests stellen heute einen integralen Bestandteil im Repertoire der hydro(geo)logischen Charakterisierungstechniken dar. Insbesondere konservative Stoffe werden zur Bestimmung von hydraulischen Reservoir- und Aquiferparametern eingesetzt. Diese Stoffe verhalten sich weitestgehend inert und unterliegen somit nur vernachlässigbaren physikochemischen Wechselwirkungen während ihrer Verweilzeit im untersuchten Geosystem. Im Gegensatz dazu stellt der Einsatz nicht-konservativer organischer Stoffe als Tracer einen relativ neuen Ansatz dar, welcher das Potential birgt, zusätzliche Informationen zu ablaufenden Untergrundprozessen zu gewinnen, sofern die Wechselwirkungsarten und somit das Tracerverhalten bekannt sind. Folglich ist die genaue Kenntnis potentieller Transportprozesse und deren Abhängigkeiten eine unabdingbare Voraussetzung für eine erfolgreiche Interpretation dieser Tracer. In diesem Zusammenhang ist die Sorption an Festphasen für zahlreiche gelöste organische Verbindungen der wohl bedeutendste physikochemische Transportprozess. Aus diesem Grund ist die systematische Untersuchung von Sorptionsprozessen und deren Abhängigkeiten von den Moleküleigenschaften bzw. Randbedingungen ein Hauptbestandteil der hier vorgestellten, kumulativen Dissertationsschrift. Die aus den Sorptions-untersuchungen abgeleiteten Schlussfolgerungen wurden in die Entwicklung eines neuen, reaktiven Reservoir-Tracers für die geologische Speicherung von CO2 mit einbezogen. Um einen Überblick über das Sorptionsverhalten organischer Verbindungen mit unterschiedlichen Funktionalitäten zu gewinnen, wurde zunächst der pH-abhängige Stofftransport mehrerer dissoziierbarer Arzneimittelwirkstoffe (Säuren, Basen, Zwitter) mit Hilfe von Sedimentsäulenexperimenten untersucht. Hierzu wurden die Sorptionskoeffizienten bestimmt und mit den vorausberechneten Ergebnissen zweier Korrelationsansätze verglichen. Eine starke pH-Abhängigkeit zeigte die Sorption für alle Moleküle mit einem pKS-Wert im oder nahe des untersuchten pH-Bereiches. Eine zufriedenstellende Vorhersage war nur für neutrale und anionsche (saure) Verbindungen möglich. Im Gegensatz dazu war die Sorption der kationischen (basischen) und zwitter-ionischen Verbindungen stärker als erwartet. Als Ursache dafür kann das Auftreten zusätzlicher, elektrostatischer Sorptionsmechanismen angesehen werden, welche in den konventionellen Korrelationsansätzen nicht berücksichtigt werden. Somit konnte unter anderem erwartet werden, dass auch Kationenaustausch einen signifikanten Prozess für die Retardation organischer Kationen im Untergrund darstellt. Mit zwei kationischen Beta-Blockern durchgeführte Säulenversuche belegen die dominierende Rolle von Kationenaustauschprozessen. Steigende Konzentrationen anorganischer Kationen führen aufgrund der verstärkten Konkurrenz um die Austauscherplätze des Sorbens zu einer geringeren Sorption der organischen Kationen. Der Beitrag nicht-hydrophober Wechselwirkungen zur Gesamtsorption konnte mit >99% abgeschätzt werden. Aufgrund der großen Bedeutung von Kationenaustauschprozessen sollten weitere Einflussfaktoren berücksichtigt werden, um den Transport organischer Kationen zuverlässig vorhersagen zu können. Daher wurde anschließend der Einfluss konkurrierender anorganischer Kationen auf die Sorption organischer Kationen in Wasser/Sediment-Batchtests systematisch untersucht. Die bei verschiedenen Hintergrundkonzentrationen an anorganischen Kationen aufgenommenen Sorptionsisothermen des kationischen Beta-Blockers Metoprolol zeigten eine deutlich stärkere Beeinflussung der Sorption durch Ca2+ als durch Na+. Durch die gefundene Korrelation zwischen dem Freundlich-Koeffizienten und der Konzentration anorganischer Kationen wird eine Vorhersage der Metoprolol-Sorption im Bereich der untersuchten Randbedingungen möglich. Zudem konnte der Beitrag sorptiver Wechselwirkungen zum organischen Kohlenstoff des Sediments als vernachlässigbar bestimmt werden. Insgesamt liefern die erzielten Ergebnisse einen weiteren wichtigen Beitrag zur Prozessbeschreibung der Sorption und helfen somit, die Vorhersage des Stofftransportes organischer Kationen im Untergrund zu verbessern. Im letzten Teil der Arbeit werden das Konzept und die Entwicklung eines neuen, reaktiven Tracers (KIS-Tracer) zur Charakterisierung von Grenzflächen während Injektionen von überkritischem CO2 in tiefe salinare Aquifere beschrieben. Durch eine Hydrolysereaktion an der CO2/Wasser-Grenzfläche mit bekannter Kinetik wird ein Zusammenhang zur zeitlichen Änderung der Grenzflächengröße geschaffen. Basierend auf den vorangegangenen Untersuchungen zur Sorption, wurde das konservative, organische Anion Naphthalinsulfonat als Basisstruktur für die Tracersynthese (Veresterung) und somit auch als gewünschtes Hydrolyseprodukt ausgewählt. Neben der Definition notwendiger Tracereigenschaften wurden bereits erste Verbindungen synthetisiert, im Labor getestet und mit einem neuentwickelten, makroskopischen Modell ausgewertet. Abschließend wurde das Tracerverhalten exemplarisch für verschiedene hypothetische Funktionen der zeitlichen Grenzflächenänderung numerisch modelliert. Die bisher erzielten Ergebnisse sind sehr vielversprechend und gewähren einen ersten Einblick in das Potential von KIS-Tracern.